Математическое моделирование влияния судоходного …

«УТВЕРЖДАЮ» «УТВЕРЖДАЮ»

Заместитель генерального директора ОАО «Ямал

СПГ» по ОТ, ПБ и ООС

Директор ФИЦ ИУ РАН академик

Г. М. Каюмов И.А. Соколов

«___» _______________ 2015 г. «___» _________________ 2015 г.

Научно - технический отчет (сокращенный вариант) по теме:

Математическое моделирование влияния судоходного морского

канала в северной части Обской губы на гидродинамический и

термохалинный режим Обской губы.

Руководитель проекта Архипов Б.В.

зав. сектором математического моделирования водных систем, к.ф.м.н.

Москва 2015

2

Исполнители

Архипов Б.В. зав. сектором математического моделирования водных систем ВЦ РАН к.ф.м.н.

Солбаков В.В. с.н.с., к.ф.м.н., Вычислительный центр РАН им. А.А. Дородницына – Проведение расчетов, подготовка графических материалов, подготовка разделов отчета, оформление отчета;

Шапочкин Д.А. н.с., Вычислительный центр РАН им. А.А. Дородницына – Проведение расчетов.

Становова А.В. м.н.с. лаборатории эколого-токсикологических исследований, ФГБНУ "ВНИРО" – Подготовка данных

Панченко Е.Д. МГУ – Подготовка данных Льюменс М.Х. МГУ – Подготовка данных Фингерт Е.А. МГУ – Подготовка данных

3

1. ОБСУЖДЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МОРСКОГО КАНАЛА НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОХАЛИННЫЕ УСЛОВИЯ ОБСКОЙ ГУБЫ

Настоящее моделирование вызвано проектом строительства морского канала в Обском баре для прохода крупнотоннажного флота, перевозящего сжиженный природный газ. При исследовании проблемы влияния морского канала и нарушения сплошности бара на экологическое состояние Обской губы среди всех параметров наиболее показательным является соленость. Проблема интрузии (проникновения) соленой воды в Обскую губу является классической задачей взаимодействия соленых вод моря и пресных вод поступающих из впадающих рек. В эстуарии эти воды смешиваются, и в области смешения возникает размытая граница (фронт) в виде соленого клина. В поверхностном слое текут более пресные воды, а в придонных слоях более соленые воды проникают вглубь эстуария. Для учета различных масштабов изменчивости в положении соленого клина требуются, вообще говоря, модели разной степени детальности и сложности, поскольку расчеты приходится проводить как для длинных, так и для коротких интервалов времени. Т.о. сложность рассматриваемой задачи заключается, с одной стороны, в необходимости соединения двух пространственных масштабов: - малого, связанного с размером канала, и большого, связанного с размером эстуария, а с другой стороны, в необходимости рассмотрения различных временных масштабов. Эстуарий Обской губы является крупным водным объектом и процесс водообмена в нем, вообще говоря, можно и нужно рассматривать на различных масштабах времени от приливных осцилляций до сезонных и межгодовых вариаций. Регион Карского моря малоизучен, количество опубликованных работ посвященных моделированию циркуляции здесь невелико, например, работа (Harms и др., 1999) в значительной степени иллюстрирует возникающие трудности.

Если рассматривать процесс на приливном масштабе при постоянных параметрах прилива и речных расходах, то положение соленого клина стабилизируется (с точностью до внутри приливных колебаний). В случае учета изменения характеристик прилива со временем (меж приливных вариаций) соленый клин будет мигрировать: - при росте прилива фронт продвигается к морю и наоборот. Другие причины его миграции состоят в синоптических вариациях метеорологических величин и связанных с ними нагонов на северной границе Обской губы, сезонных колебаниях речного стока и других параметров. Ясно, что положение соленого клина может колебаться также и на межгодовых масштабах изменчивости, связанных с более и/или менее полноводными годами, а также со следствиями более глобальных процессов, протекающих в Карском море и/или в Северном Ледовитом Океане (СЛО). Последнее утверждение требует некоторого пояснения. Обская губа является одним из заливов Карского моря и процессы смешения пресных вод, поступающих в Карское море из притекающих рек, происходят не только собственно в заливах, но практически во всем море (Рис.1.1.). По этой причине проникновение соленых вод в Обскую губу существенно зависит от процессов в Карском море: распределения солености, течений, ветров и т.п.

Схема основных течений Карского моря и поля солености (Гидрологический режим Карского моря, 2015) приведены на Рис.1.1. Из этого рисунка следует, что в Карском море квазипостоянная система течений образует циклонический вихрь, ветвями которого являются Восточно-Новоземельское, Ямальское и Обь-Енисейское течения. Уже из этой картинки следует, что, с одной стороны, пресные воды Обской губы и Енисейского залива попадают в Обь-Енисейское течение и распространяются на восток, с другой стороны, Ямальское течение несет с собой более соленую воду с запада (Рис.1.1). При усилении ветров западных и/или северо-западных румбов вероятно увеличение солености в северной части Обской губы, а – восточных румбов ее уменьшение. Поскольку речь идет о распределении солености в северной части Обской губы, в области за баром, такие синоптические ситуации оказывают на него значительное влияние.

4

а б в Рис. 1.1. Основные течения Карского моря (а) и среднемноголетнее распределение

солености воды на поверхности Карского моря и Обской губы в летний половодный период (б) и в зимний меженный (в) по данным ААНИИ

Карское море

Попов о-в Белый

ДровянойДровяной

Тамбей

Се-Яха Тадибе-Яха

Гыданский полуостров

Ямал

Антипаюта

Тазовское

Ныда

Салехард

Каменный

Новый порт

60л ВЛКСМ

а б в Рис.1.2. Карта Карского моря и его основных заливов (а), карта Обской губы с

указанием области работ (б) и расположением морского канала (в)

Проектируемый морской канал находится в северной части Обской губы и проходит параллельно существующему судоходному пути (Рис.1.2б,в). Район расположения канала вытянут с юга на север у мористой границы Обской губы между восточным берегом п-ова Ямал и западным п-ова Явай (северная оконечность Гыданского п-ова). Район находится между 71.65-72.75º с.ш. и 72.75-74.25º в.д. Его меридиональная протяженность составляет более 120 км. Общая протяженность планируемого судового хода около 140 км. Мористая граница Обской губы характеризуется наличием бара с глубинами менее 11 м. Расположен бар между 72º 10’ и 72º 32’ с.ш. Далее в губе глубины возрастают до 15 -20 м. Для увеличения судопропускных возможностей в районе бара вдоль существующего фарватера планируется проведение дноуглубительных работ между изобатами 14 м.

Протяженность подходного морского канала будет составлять около 48,9 км, его ширина 295м, средняя глубина прорези (в баре) 2 м, максимальная 4 м (отметка дна канала -15,1 м БС). На рис. 1.6. представлено расположение планируемого морского канала с новым положением судового хода в окрестностях бара Обской губы.

Целью моделирования является выяснение влияния морского канала на гидродинамические и термохалинные условия Обской губы. При проведении такого моделирования исследователь сталкивается с рядом сложностей и вынужден искать определенный компромисс, в результате которого необходимо найти баланс между различными компонентами процесса моделирования, показанными на Рис.1.3а. Для того, чтобы получать более точное и достоверное решение необходимо производить усложнения модели в разных, вообще говоря, противоположных направлениях. Одно направление увеличения точности

5

получаемых решений состоит в увеличении размерности сетки и уменьшении шагов дискретизации, а также в использовании криволинейных сеток, сгущенных в области канала. В этом случае исследователь, так или иначе, сталкивается с ограничением вычислительных ресурсов. Другое направление уточнения решения состоит в выборе большей области и более продолжительного временного интервала моделирования. Этот путь также встречается с ограничениями, как по вычислительным возможностям, так и по более фундаментальной причине, связанной с тем, что более обширный объект (все Карское море) более сложен по гидрофизическим процессам по сравнению с более простым объектом (Обской губой). Третье направление улучшений связано с желанием учесть как можно больше возможных гидрофизических процессов, но этот учет также быстро наталкивается на ограничения, как по причине вычислительных ресурсов, так и по причине увеличения количества необходимой входной информации. Наконец стремление собрать абсолютно полный набор входных данных, как правило, не достижимо.

Рассмотрим коротко различные стороны процесса моделирования, изображенные на Рис.1.3а. При проведении моделирования процессов в Обской губе и влияния канала на их протекание, в начале, необходимо выбрать область моделирования. Поскольку Обская губа является частью более обширного района Карского моря, а последний – частью Северного Ледовитого Океана (СЛО), этот вопрос можно решать по-разному. Перечислим некоторые возможные варианты, их достоинства и недостатки: 1) минимальная локальная область: северная граница проходит по линии мыс Дровяной, южная граница проходит южнее канала, например в районе Тамбея, 2) локальная область: северная граница проходит по линии мыс Дровяной, южная и восточные границы проходят в устьевых областях рек (Обь, Таз), 3) глобальные области, охватывающие различные части Карского моря, 4) комбинация локальной и глобальной областей.

Пространственная область и временной интервал моделирования

Гидро-физические процессы

Вычислительные ресурсы, аппроксимация, технология

Входные данные

?

а

б

в

г

6

д

е

Рис. 1.3. Различные компоненты процесса моделирования (а) и варианты расчетных областей: б – локальная, в – повернутая глобальная, г – глобальная

область с северной границей, проходящей по ЗФИ, д –глобальная с криволинейной сеткой, е - глобальная область с северной границей проходящей

по северу Новой Земли.

Непригодность минимальной локальной области (1) заключается в том, что соленость проникает существенно дальше на юг за южную границу этой области. Кроме того в этом случае возникают дополнительные сложности задания граничных условий (ГУ) на южной границе, поскольку приходится одновременно учитывать и прилив, и сток рек, и соленость. Локальная область (2, Рис.1.3.б) более привлекательна, поскольку на южной границе нужно задавать только сток рек пресной воды, который относительно хорошо известен. В этом случае необходимо конечно решать вопрос взаимодействия Обской губы с Карским морем на северной границе, который решается в настоящем исследовании через декомпозиционный подход (см. ниже). Некоторые примеры глобальных областей показаны на Рис. 1.3. (в,г,д,е). С точки зрения задания ГУ на открытых границах, через которые происходит взаимодействие Карского моря с СЛО, эти области примерно эквивалентны, поскольку степень определенности (не определенности) гидрологической информации на открытых границах этих областей примерно одинакова.

Зададимся вопросом: можно ли использовать только какой-то вариант глобальной области для решения проблемы влияния канала? Для решения этой задачи необходимо или брать очень тонкую сетку или как-то сгущать сетку в области канала. Примеры таких сеток показаны на Рис. 1.3. (в,г,д,е). Важным ограничением использования глобальной сетки со сгущением в области канала является следующий на первый взгляд не заметный недостаток. Предположим, что минимальный размер ячейки сгущенной сетки в области канала порядка какой-то части от его размеров, например 100м. Учтем, что максимальная глубина Карского моря в районе Новоземельской впадины около 400-600м. В этом случае условие Куранта дает

100 180

x мt смgH с

. Следовательно, при решении глобальной задачи, с одной стороны,

необходимо использовать временной шаг порядка нескольких секунд, а с другой стороны, количество узлов сетки должно быть достаточно велико, чтобы описать весь район 36º (с запада на восток) и 14º (с севера на юг). Если, например, брать сетку с шагом 0.03º то получим 1200×450 ячеек. Т.е. при большом количестве ячеек приходится брать малый шаг по времени. Это свойство приводит к очень большим расчетным временам. Например, при использовании сетки на Рис. 1.3. (в) расчет на ПК (3,8 Ггц, 32 Гб, 64 разрядная ОС) одного модельного месяца требует около 10-ти суток процессорного времени. Отметим, что такое свойство возникает не только из-за малого пространственного шага, а также из-за большой глубины. Соответствующие ограничения при использовании локальной области существенно слабее по причине меньшей глубины. Поэтому при решении рассматриваемой задачи наиболее разумно использовать декомпозиционный подход, т.е. часть задачи решать на основе глобальной области с достаточно крупным пространственным шагом, а другую часть на основе локальной области с существенно

7

меньшими шагами и сгущением сетки в области канала. Именно поэтому в настоящим моделировании используется две области: локальная (Рис.1.3. б) и глобальная (Рис.1.3.е).

Рассмотрим другой аспект задачи. Существует фундаментальная научная проблема гидрологии Карского моря: – воспроизведение гидрологических характеристик Карского моря (течений, уровня, солености, температуры, ледовых полей) на различных временных масштабах. Строго говоря, эта задача в настоящее время не решена во всей ее полноте и она не ставится в настоящей работе. Поэтому расчеты на глобальной области используются только для получения граничных условий (ГУ) на северной границе локальной области в «синоптическом варианте». Это означает, что в начале расчеты проводятся на глобальной области на 2 года с фиксированными ГУ на открытых границах глобальной области без ветра. Затем начиная с полученных на предыдущем этапе полей, проводятся расчеты на глобальной области для рассматриваемого временного интервала, выбранного для верификации, с дополнительным учетом ветровых полей и давления. Значения полученных характеристик на линии мыс Дровяной используются в качестве ГУ для расчетов в локальной области.

При рассмотрении вопроса проникновения солености внутрь Обской губы, необходимо ранжировать различные природные факторы, влияющие на этот процесс. Если рассматривать постановку в локальном варианте то основную роль играют: сток рек, штормовые нагоны на северной границе (уровень моря и соленость), приливные характеристики на северной границе. Остальные факторы, как-то тепловые процессы, ледовые процессы и д.р., по сравнению с выше упомянутыми, играют второстепенную роль. Поэтому в настоящем моделировании учитываются течения, колебания уровня и соленость. Сравнительные расчеты с температурой и без нее показали не значительное отличие по полю солености. Т.о. на открытых границах рассматриваются воздействия в виде приливных и синоптических колебаний уровня, колебаний солености, а в области впадения рек задается приток речных вод и минимальная соленость (0-0.25 psu) . Для задания ГУ необходима подготовка

расходов рек Обь, Надым, Пур, Таз, Енисей, Пясина на возможно более длительный срок, приливные гармоники 4-х основных волн (2 полусуточных, 2 суточных на открытых

границах для глобального варианта временной ход значений солености на открытых границах для глобального варианта на

поверхности и на дне, поля давления и ветра.

Необходимо сказать несколько слов об используемой для настоящих исследований модели. Для проведения моделирования используется трехмерная модель гидродинамических и термохалинных процессов Delft3D (Delft3D-FLOW, 2013). На предыдущем этапах работы были использованы различные модели для исследования процессов в Карском море и его заливах, как разработанные самими авторами настоящего отчета, так и другими специалистами. В частности в работах по настоящему проекту в 2012 – 2013гг авторами была использована широко известная модель Принстонского Университета – POM (The Princeton Ocean Model, 2010). На настоящем этапе была выбрана Delft3D по следующим причинам: высокой технологичности (подробной разработкой технологии подготовки расчетов и после расчетной обработки результатов, интерфейса, графического представления результатов и т.п.), возможностью использования различных систем координат (декартовой, сферической), возможностью рассмотрения различных подходов для аппроксимации вертикальной координаты (σ – система, z – система), наличия различных моделей рассмотрения процессов вертикального турбулентного перемешивания и др.

В настоящем исследовании работа разбивается на два этапа. На первом этапе проводится верификация модели интрузии солености в Обскую губу на основе данных наблюдений. На втором этапе проводятся прогностические расчеты интрузии солености в Обскую губу с судоходным каналом и без него. Для проведения сценарных (прогностических расчетов)

8

проанализирован сток рек с 1936 по 2012гг. Были выбраны несколько «экстремальных» годов с минимальным стоком. Дополнительно были проведены расчеты при сочетании минимального стока и штормового нагона. В результате такого подхода получены оценки проникновения солености без канала и при его наличии возможные 1 раз в 50 - 100 лет. Чтобы провести верификацию модели необходимо выбрать временные интервалы для моделирования и область моделирования. Этот выбор осуществляется из соображений полноты и согласованности данных. Полнота и согласованность означает, что должны быть заданы данные для «форсинга» (граничные условия) и данные для верификации, относящиеся именно к этим выбранным временным интервалам и области моделирования и этих данных должно быть достаточно. Исходя из этих требований были выбраны интервалы:

1-й временной интервал, охватывает экспедицию НИС «Дмитрий Менделеев» с 15 августа по 15 октября 1993г (Буренков и др.,1994; Лисицин и др., 1994), 2-й временной интервал, охватывает экспедицию НИС «Иван Киреев» с 8 сентября по 7 октября 2005г (Экспедиционные исследования…, 2006), 3-й временной интервал, охватывает экспедицию НИС OTA_777 в период с 29 июля по 17 августа 2010 и 18 сентября 7 октября 2010 (Lapin и др, 2010; Lapin, 2011), 4-й временной интервал, охватывает период постановки АБС для измерения течений в летнее – осенние месяцы 2012г силами ААНИИ в процессе работ по проекту Ямал СПГ (Инженерные гидрометеорологические изыскания…, Том 1, 2012; Инженерные гидрометеорологические изыскания…, Том 2, 2012).

2. ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ, РАСЧЕТНАЯ ОБЛАСТЬ И ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ

2.1. Источники данных Для подготовки входных данных необходимо создать банк данных (БД) для задания ГУ и

сравнения. БД создается на основе открытых доступных источников и состоит из следующих частей.

1) БД «Реки» по стоку рек Обь, Надым, Пур, Таз, Енисей, Пясина. Источники данных для БД «Реки»:

1. Ежегодники и другие опубликованные материалы. 2. Банк данных ArcticRIMS1 3. Банк данных СКНИИВХ2 2) БД «Гидрология» по солености и температуре, уровню моря и течениям Обской

губы и Карского моря. Источники данных включают: 1. Банк данных Levitus3 2. Различные публикации, журнальные статьи, справочники, отчеты и описания экспедиций

и т.п., отчеты инженерно-гидромеорологичесих и инженерно-экологических изысканий в районе за разные годы, выполненные по заказу Ямал СПГ и др. организаций.

3) БД «Метео» по метеоданным за разные годы. Работы по подготовке метеоданных включают: сбор данных основных ГМС района (Бугрино, Варандей, Маресале остров Голомянный, Диксон, Усть-Порт, Тамбей, Мыс Дровяной, Мыс Каменный, 60 лет ВЛКСМ, Сеяха, Тадибеяха, Воркута, Салехард). Получение данных из открытых БД Мировых центров прогноза погоды и/или других организаций в виде полей реанализа. Получение ветра и др. метеоданных с кольцовок (карт погоды), которые в частности содержат поля давления в виде изобар (Гидрометцентр). Источники данных:

1. ГМС4 2. Банк данных ArcticRIMS

1 http://rims.unh.edu/ 2 https://gmvo.skniivh.ru 3 http://climatedatalibrary.cl/sources/.noaa/.nodc/.woa05/.grid-1x1/.monthly/.an/.salinity/datafiles.html 4 http://rp5.ru/; http://aisori.meteo.ru/ClimateR

9

3. Европейский Центр Среднесрочных Прогнозов Погоды (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts - ECMWF) - данные реанализа NCEP/NCAR5

5. Карты погоды (кольцовки)6

2.2. Расчетная область и дискретное представление Расчеты проводились на двух сетках: «глобальной» и «локальной». В расчетах

учитываются течения, колебания уровня, соленость. Рассматриваются воздействия на открытых границах в виде приливных колебаний уровня, и колебаний солености и температуры, в области впадения рек задается приток речных вод. Для «глобальной» области моделирования построена равномерная градусная расчетная сетка, показанная на Рис.2.2.1. На севере расчетная область ограничена параллелью, проходящей по северной оконечности Новой Землии (76,7ºС.Ш.). На западе граничный меридиан проходит по линии ЗФИ-Новая Земля – Печерское море (55,1ºВ.Д.). На юге область ограничивается южной частью Обской губы (67,0ºС.Ш.). На востоке граничный меридиан проходит по Северной Земле и проливу Вилькицкого (97ºВ.Д.). Шаг сетки по долготе Δx ≈ 0,12º (4058м на широте 72,5º), по широте Δy ≈ 0,04º (4448м). Сетка имеет 288 на 218 ячейки в плане и 24 слоя по вертикали (z – координаты по вертикали). В области имеется две открытые границы: западная граница в Печерском море, северная граница Карского моря. В Обскую губу впадает 4 реки (Обь, Надым, Таз, Пур), в Карское море 2 – Енисей и Пясина.

а б

Рис. 2.2.1. Карта Карского моря с указанием области расчетов (а) и расчетная сетка «глобальной» области (б)

Поле глубин «локальной» расчетной области показано на Рис.2.2.2. Для расчетов было построено несколько сеток сгущающихся в области канала (Рис.2.2.3.- 2.2.4):

1) криволинейная сетка 39×74, траншея 2 ячейки, ширина 1 ячейки в области траншеи 703м, ширина траншеи 1407м;

2) криволинейная сетка 48× 93, ширина 1 ячейки в области траншеи 110м, траншея 4 ячейки, ширина траншеи 441м,

3) криволинейная сетка (40×112), траншея 3 ячейки, ширина 1 ячейки в области траншеи 460 м, ширина траншеи 1380 м.

Т.о. рассмотрен диапазон изменения минимального шага: 110м, 460м и 703м. В разделах 3,4 дано некоторое сравнение результатов на различных сетках. Разрешение сетки по вертикали составляет 24 слоя с толщиной слоев около 1м.

Необходимо отметить, что по уточненным проектным данным ширина канала 295м, хотя в моделировании по причинам ограниченности компьютерных ресурсов (уменьшение минимального пространственного шага приводит к уменьшению временного шага и увеличению времени счета) минимальное значение ширины равнялось 441м. В силу принятого приближения влияние канала будет еще менее значительным чем в настоящих расчетах.

5 http://esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml 6 Гидрометцентр

10

а б

Рис. 2.2.2. Поле глубин Обской губы (а) и аппроксимация канала на криволинейной сетке (б)

Рис. 2.2.3. Криволинейная сетка (40×112), траншея 3 ячеек, ширина 1 ячейки в области траншеи 460 м, ширина траншеи 1380 м)

а

б

Рис. 2.2.4. Криволинейная сетка (48×130), траншея 4 ячейки, ширина 1 ячейки в области траншеи 110 м, ширина траншеи 440 м)

Были рассчитаны варианты с каналом и без канала, для осенних условий экспедиционных годов. На северной границе области задавались значения уровня и солености, полученные в расчетах по глобальной сетке. Поле глубин построено по навигационной карте района работ масштаба 1:100000 и показано на Рис.2.2.2. При задании модельной глубины учитывалась поправка correctH MSL LAT , т.е. model navigatH H MSL LAT , где средний уровень моря

0.27 ( 77)MSL м БС , а наинизший теоретический уровень 1.05 ( 77)LAT м БС . На Рис. 2.2.5. приведено соответствие координат в географической проекции (градусы, а) и UTM-1983 (метры, б).

11

72ºN

71ºN

70ºN

69ºN

68ºN

Рис. 2.2.5. Соответствие координат в географической проекции (градусы, а) и UTM-1983 (метры, б)

2.3. Ветер и давление Расчет морских течений, колебаний уровня, характеристик ветровых волн требует знания

ветровых полей над поверхностью моря. В некоторых ситуациях, при небольших размерах акватории моря достаточно знание скорости ветра и давления на метеостанциях. В этих случаях неоднородностью и отчасти нестационарностью ветровых полей можно пренебречь. В других случаях, при достаточно больших размерах рассматриваемой области необходимо более подробное знание пространственно-временной изменчивости полей ветра. При получении полей ветра изменяющихся по пространству и времени обычно можно использовать различные подходы. В настоящей работе для задания ветровых полей использовались данные реанализа NCEP/NCAR (The NCEP/NCAR Reanalysis…, 2015), (U/V- зональная и меридиональная составляющие скорости ветра, сетка 2.5°х2.5° градуса, область 65-80° с.ш., 47,5-105° в.д.), а также данные ГМС (Рис 2.3.1.).

Рис. 2.3.1. Положение ГМС

2.4. Граничные условия на северной границе. Уровень моря. Граничные условия на северной границе. Уровень моря. Параметры прилива на

открытых границах Карского моря взяты из работы (Chen и др., 2009)

2.5. Граничные условия на северной границе. Соленость и температура. Граничные условия на северной границе. Соленость, температура. Данные по

солености взяты из БД Levitus (Climate Data Library, 2015). Дополнительно использовались данные различных экспедиций, отчетов и публикаций. В качестве иллюстрации на Рис.1.1 приведены данные по солености и температуре по данным ААНИИ (Гидрологический режим Карского моря , 2015).

12

2.6. Речной сток Карта Обско-Тазовской губы с указанием основных впадающих рек приведена на Рис. 1.2.

В южной части Обской губы в нее впадают Яраходыяха, Хадытаяха, Обь, Ярудей, Надым, Ныда. В Тазовскую губу впадают Пойловыяха, Хадутта, Табьяха, Пур, Таз, Месояха, Антипаетояха, Сыдыяха. В Среднюю часть Обской губы впадают Сабыяха, Сеяха. В Северную часть Обской губы впадают Вынуияха, Тамбей, Хабейяха и Сабколянгьяха. Сток рек получен на основе ежегодников и других опубликованных материалов, БД ArcticRIMS (R-ArcticNet, 2015), БД СКНИИВХ (Автоматизированная информационная система, 2015). Наибольший приход дают реки Обь, Надым, Пур, Таз. Река Обь характеризуются большим размером и водосборным бассейном. Расход Оби в среднем составляет 404 км³/в год пресноводной воды. Данные для всех станций показывают наличие максимума во время весеннее-летнего половодья, который наблюдается в мае - июле. Средние расходные потоки Оби составляют 35.000 м³/с, Надыма, Пура и Таза, составляет 3.000 м³/с, 6.000 м³/с и 5.000 м³/с соответственно. В течение зимы средний расход остается низким. Для Оби он составляет 5.000м³/с. Для менее крупных рек расход достигает не более 1.000 м³/с. В таблицах 4.6.1-4.6.3. даны некоторые характеристики основных рек. В настоящей работе проанализирован суммарный сток основных рек (Обь, Надым, Пур, Таз) за период с 1936 по 2012гг. Результаты показали (см. раздел 6), что основными кандидатами на экстремальность с точки зрения минимума стока являются 1956 и 1969гг, а с точки зрения минимального расхода 1954 год. Для иллюстрации на Рис. 2.6.1. показано сравнение суммарного стока Оби, Надыма, Пура, Таза 1969г со стоком 1979, 1980, 1981гг (а), 1982, 1983, 1984гг (б), 1985, 1986, 1987гг (в), 1988, 1989, 1990гг(г).

Рис. 2.6.1. Сравнение суммарного стока Оби, Надыма, Пура, Таза 1969г со стоком 1979, 1980, 1981гг (а), 1982, 1983, 1984гг (б), 1985, 1986, 1987гг (в), 1988, 1989, 1990гг(г)

3. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА СОЛЕНОСТЬЮ И ТЕЧЕНИЯМИ В ОБСКОЙ ГУБЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВЕРИФИКАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Методология моделирования принятая в настоящей работе является двухступенчатой. На первом этапе проводятся расчеты на глобальной сетке. Цель этих расчетов заключается в получении граничных условий на северной границе локальной области. Поскольку в работе исследуется вопрос о влиянии канала на проникновение солености в Обскую губу, основное внимание фокусируется на расчетах на локальной сетке. В этом случае проводятся сравнительные расчеты без канала и при его наличии. Чтобы отразить канал в расчетах строится криволинейная сетка, сгущающаяся в области канала. Расчеты на глобальной области используются только для получения ГУ на северной границе локальной области в «синоптическом варианте». Это означает, что в начале расчеты проводятся на глобальной области на 2 года с фиксированными ГУ на открытых границах без ветра. Затем начиная с полученных на предыдущем этапе полей, проводятся расчеты на глобальной области для рассматриваемого временного интервала, выбранного для верификации, с дополнительным учетом ветровых полей и давления. Значения полученных характеристик на линии мыс Дровяной используются в качестве ГУ для расчетов в локальной области.

13

3.1. Соленость Многолетние средние поля солености. На Рис.3.1.1а приведено среднемноголетние

вертикальное распределение солености (а) на разрезе вдоль Обской губы в периоды свободные ото льда, на Рис.3.1.б,в показано среднемноголетнее распределение солености воды на поверхности и в придонном слое в северной части Обской губы (в августе) и в зимний меженный период по данным ААНИИ (Инженерные гидрометеорологические изыскания…, Том 1, 2011).

А Б В Рис.3.1.1. Среднемноголетнее вертикальное распределение солености (А), на

разрезе вдоль Обской губы в периоды свободные ото льда, на поверхности и в придонном слое в августе (Б) и в зимний период (В)

Данные экспедиций. В 1993г проходила международная высокоширотная экспедиция в Карское море, Обскую губу и Енисейский залив на базе 49 рейса НИС “Дмитрий Менделеев” с 15 августа по 15 октября в рамках программ JGOFS и SPASIBA. Результаты этой экспедиции опубликованы в ряде номеров журнала “Океанология” за 1994 год (Буренков и др., 1994; Лисицин и др., 1994).

Рис. 3.1.2. Карта станций 49 рейса НИС “Дмитрий Менделеев” с 15 августа по 15 октября 1993г и изолинии солености (а) и температуры (б) на Обском разрезе

через гидрологический фронт 19-27 сентября 1993 года

Измерения были выполнены в области от 68°50'N до 76°N вдоль 73°E долготы. На Рис. 3.1.2 приведено вертикальное распределение солености и температуры на сечении вдоль Обской губы.

Расчеты на локальной сетке. Сначала проведены расчеты на грубой криволинейной сетке с минимальным размером ячейки 703м и шириной канала 1407м. На втором этапе проведены расчеты на тонкой криволинейной сетке с минимальным размером ячейки 110м и шириной канала 440м. Для верификации модели на Рис. 3.1.4. приведено попарно сравнение полученных полей солености в наблюдениях и моделировании на разрезе, показанном на Рис. 3.1.3.

Результаты расчетов, а также сравнение расчетов без канала и при наличии канала на грубой криволинейной сетке с размером ячейки 703м и шириной канала 1407м и на тонкой криволинейной сетке с минимальным размером ячейки 110м и шириной канала 440м сведены в Таблице 3.1.

14

Таблица 3.1. Координаты (км) положения изолиний солености по результатам расчета

Грубая сетка Тонкая сетка

Увеличение расстояния (км)

интрузии солености при

появлении канала

Без канала С каналом Без канала С каналом Δ на

грубой сетке

Δ на тонкой сетке

1993 3 psu 7899 7866 7913 7903 33 10 9 psu 7928 7906 7943 7929 22 14 12 psu 7936 7918 7951 7946 18 5 Значение в районе Тамбея, расчет 10 13 8 10 3 2

Значение в районе Тамбея, наблюдения 5-10 5-10

Рис. 3.1.3. Положение разреза

72ºN 71ºN 70ºN 69ºN 68ºN

Тамбей

а


Тамбей

б

Рис. 3.1.4. Сравнение поля солености на разрезе вдоль Обской губы полученного

в 49 рейс НИС “Дмитрий Менделеев” и в моделировании на грубой криволинейной сетке с размером ячейки 703м (а) (в районе Тамбея значение 10-11psu) и в

моделировании на тонкой криволинейной сетке с размером ячейки 110м (б) (в районе Тамбея значение около 9 psu)

15

На Рис. 3.1.5-3.1.6 показаны поля скорости на разных глубинах внутри канала и вне его. 10 слой (14м), 11 слой (12.9м), 12 слой (11.8м) находятся внутри канала. 13 слой (10.7м) и 14 слой (9,6м) находятся на границе и вне канала (нумерация слоев идет снизу вверх). Внутри канала возникает эффект интенсификации скорости, в нем скорость может увеличиваться в 1,5 - 2 раза по сравнению со скоростью на том же горизонте вне канала. Эффект интенсификации проявляется до глубины 9-10м (14 слой), где скорость в области над каналом и в соседних ячейках на том же горизонте существенно не отличается.

Сравнение поля скорости в различных точках вдоль канала проводится на Рис.3.1.6. Этот рисунок дает дополнительную иллюстрацию описанного эффекта. На нем показаны временные графики изменения скорости.

В точках, расположенных вне канала годограф скорости имеет эллипсоидальную форму. В точках, расположенных внутри канала, годограф скорости имеет линейную форму.

Полученные данные показывают, что, в результате появления канала внутри него возникает направленный внутрь поток с расходом около 500 м³/с. Но это не означает, что соленость будет все время увеличиваться внутри губы по принципу накопления вещества в замкнутом пространстве, об этом в частности свидетельствуют расчеты проведенные в следующем разделе. Препятствием такому бесконечному накоплению является интенсификация гравитационной циркуляции в вертикальной плоскости.

100 см/сек 100 см/сек

а

Рис. 3.1.5. Сравнение поля скорости на разных глубинах внутри канала и вне его при расчетах на тонкой криволинейной сетке с минимальным размером ячейки

110м: 10 слой -14м, 13 слой – 10.7м (нумерация слоев идет снизу вверх)

б б

Рис. 3.1.6. Сравнение поля скорости в различных точках вдоль канала, (показанных на Рис.6.1.12.) и расположенных на глубине 14м при расчетах на

тонкой криволинейной сетке (а - (22,90), б - (22,74). В 2005 г. Комплексная партия ФГУП «ВНИИОкеангеология» продолжила,

геоэкологические исследования прибрежно-шельфовых зон Российской Арктики, начатые ею в 1995 году. Измерения рейса НИС “ Иван Киреев” с 8 сентября по 7 октября 2005г были выполнены в области от 69°00' с.ш. до 73°00' с.ш. (Экспедиционные исследования…, 2006), полученные данные представлены на Рис. 3.1.7-3.1.8. На Рис. 3.1.7 приведены поверхностные и придонные поля солености, а на Рис. 3.1.8 вертикальное распределение солености на сечении вдоль Обской губы. Граница соленых и пресных вод проходит примерно на широте 70.2°. В области Сабетты соленость больше 5‰ на поверхности и больше 10‰ в придонной области.

16

а

б

Рис. 3.1.7. Карта области работ НИС “ Иван Киреев” с 8 сентября по 7 октября 2005г (а) и изолинии солености на поверхности (слева) и дне (справа) в Обской губе

полученные в экспедиции 2005г

Рис. 3.1.8. Изолинии солености на Обском разрезе через гидрологический фронт полученные в экспедиции 2005г

Расчеты на локальной сетке. Сначала проведены расчеты на грубой криволинейной сетке с минимальным размером ячейки 703м и шириной канала 1407м. На втором этапе проведены расчеты на тонкой криволинейной сетке с минимальным размером ячейки 110м и шириной канала 440м. Для верификация модели на Рис. 3.1.9. приведено попарно сравнение полученных полей солености в наблюдениях и моделировании на продольно вертикальном разрезе.

Результаты расчетов и сравнения сведены в Таблице 3.1.2. В области Тамбея соленость по данным наблюдений около 4‰ на поверхности и от 8‰ до 12‰ в придонной области. По данным расчетов на грубой криволинейной сетке соленость на поверхности от 2‰ до 3‰ и от 12-15‰ в придонной области. На тонкой криволинейной сетке соленость на поверхности от 1‰ до 3‰ и 9-12‰ в придонной области. Видно, что, с одной стороны, есть устойчивость решения при сгущении сетки, а с другой стороны, грубая сетка дает большее проникновение солености вглубь губы примерно на 8- 15км по сравнению с вариантом тонкой.

Таблица 3.1.2. Координаты (км) положения изолиний солености по результатам расчета

Грубая сетка Тонкая сетка Увеличение расстояния (км) интрузии солености при появлении канала

Без канала

С каналом

Без канала

С каналом

Δ на грубой сетке Δ на тонкой сетке

2005 3 psu 7900 7870 7900 7890 30 10 9 psu 7930 7905 7950 7938 25 12 12 psu 7935 7915 7945 7936 20 9 Значение в районе Тамбея, расчет

12-15 16 9-12 13 3 2

Значение в районе Тамбея, наблюдения

8-12 8-12

17

72ºN 71ºN 70ºN 69ºN 68ºN Тамбей

1

2

3

а

72ºN 71ºN 70ºN 69ºN 68ºN Тамбей

1

2


3

б

Рис. 3.1.9. Сравнение поля солености на разрезе вдоль Обской губы полученного в экспедиции 2005г НИС “ Иван Киреев” с моделированием на грубой криволинейной сетке с размером ячейки 703м (а) и на тонкой криволинейной сетке с минимальным размером ячейки 110м (1 – наблюдения, 2 – шкала больших значений от3psu до 27psu, 3 – шкала

малых значений от 0psu до 10psu.

Измерения рейса НИС OTA_777 (ОАО «Южная судоходная компания») были проведены в период с 29 июля (очищение ото льда, период паводка) по 17 августа и с 18 сентября по 7 октября (осенняя межень, начало замерзания) 2010г. Было выполнено 120 станций от мыса парусного (68°21′С.Ш.) до морской гарницы Обской губы (72°40′С.Ш.). По данным работ Лапина С.А. (Lapin, 2011) распределения температуры и солености в Обской губе в 2001 г. приведены на Рис. 3.1.10.-3.1.11.

Рис. 3.1.10. Распределение температуры и солености воды на поверхности и в придонном слое в северной и средней частях Обской губы в летний половодный период (с 29 июля по 17 августа 2010) и в осенний меженный период с 18 сентября

по 7 октября по данным работ

18

а б Рис. 3.1.11. Распределение температуры и солености воды на разрезе вдоль

Обской губы в осенний меженный период с 18 сентября по 7 октября, 2010 (а). Изменение уровня моря на северной границе расчетной области в 2010г(б)

Сравнение поля солености на разрезе вдоль Обской губы полученного в экспедиции 2010г НИС OTA_777 (а) и в моделировании без канала (б) и с каналом (в) на криволинейной сетке с размером ячейки 400м приведено на Рис.3.1.12. Как в наблюдениях, так и в расчетах (без канала) соленость выдавлена за 72ºС.Ш. причем в наблюдениях соленость 2-1psu, а в расчетах 3-2psu, соответственно на дне и поверхности. В целом совпадение не плохое, малое расстояние проникновения солености в осенний период 2010г объясняется сгонными явлениями на северной границе, возникшими в период с 24 по 27 сентября 2010г (Рис.3.1.11б). Появление канала в этом случае привело к проникновению солености на 25-38 км на юг.

Таблица 3.1.3. Координаты (км) положения изолиний солености по результатам расчета

Грубая сетка Увеличение расстояния (км) интрузии солености при появлении канала 2010 Без канала С каналом 3 psu 8000 7975 25 6 psu 8009 7982 27 9 psu 8016 7987 29 12 psu 8026 7993 33 15 psu 8030 7996 34 18 psu 8036 7998 38



27-Sept-2010 00:00:00

27-Sept-2010 00:00:00

а

б

в

72ºN

71ºN

70ºN

69ºN

68ºN м. Каменный

Сеяха

Тамбей

Новый Порт

Яптиксале м. Трехбугорный

Рис. 3.1.12. Сравнение поля солености на разрезе вдоль Обской губы полученного в экспедиции 2010г НИС OTA_777 (а) и в моделировании без канала и с каналом(б,в)

на криволинейной сетке 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м шириной траншеи 1380 м (3 ячейки)

19

3.2. Течения В 2012г ААНИИ были выполнены изыскания и в области Сабетты и канала, в частности

установлены АБС для измерения течений (Инженерные гидрометеорологические изыскания…, Том 1, 2012; Инженерные гидрометеорологические изыскания…, Том 2, 2012). Положение точек показано на Рис.3.2.1. и в Таблицах 3.2.1.-3.2.2.

Рис. 3.2.1. Точки постановки АБС в августе, сентябре, октябре 2012г

Таблица 3.2.1. Южные точки постановки АБС в 2012г № Координаты Период

17798a 71°17.497Ń 72°16.739É 15.08.2012 8:51 - 03.09.2012 10:31 71°16.993Ń 72°09.142É 15.08.2012 11:24 - 04.09.2012 4:44

17797 71°12.415Ń 72°50.117É 15.08.2012 16:02 - 29.09.2012 6:42 17798b 71°16.753Ń 72°19.617É 03.09.2012 21:11 - 28.09.2012 23:21 5391а 71°16.993Ń 72°09.142É 15.08.2012 11:24 - 04.09.2012 4:34 5391b 71°15.776Ń 72°15.887É 04.09.2012 18:13 - 28.09.2012 22:43

Таблица 3.2.2. Северные точки постановки АБС в 2012г

№ Координаты Период DVS 72°10.942Ń 74°00.278É 13.08.2012 9:45 - 19.09.2012 0:55 17992S 72°04.992Ń 73°44.950É 13.08.2012 11:17 - 22.09.2012 23:27 17989 72°23.814Ń 73°47.455É 14.08.2012 1:22 - 28.08.2012 16:02 No_s_n 72°16.840Ń 73°28.623É 16.08.2012 0:20 - 01.10.2012 5:10 17991 72°33.301Ń 74°19.985É 23.09.2012 15:57 - 02.10.2012 1:57 17992N 72°32.469Ń 74°20.023É 23.09.2012 16:52 - 02.10.2012 3:22

На Рис.3.2.2. приведена приливная составляющая уровня моря на входе в Обскую губу в

2005 г. По наблюдениям и по результатам проведенного моделирования на глобальной» сетке, которая включает большую часть Карского моря. Размах сизигийного и квадратурного прилива хорошо согласуются, различие находится в пределах 5-10%. Ряды уровня на входе в Обскую губу были обработаны методом гармонического анализа, полученные гармонические постоянные использовались для формирования граничных условий на открытой границе меньшей области при верификационных расчетах в 2012г.

20

а

-1.2

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

1.2

1 ав

г

3 ав

г

5 ав

г

7 ав

г

9 ав

г

11 а

вг

13 а

вг

15 а

вг

17 а

вг

19 а

вг

21 а

вг

23 а

вг

25 а

вг

27 а

вг

29 а

вг

31 а

вг

Уро

вень

, м

б

Рис. 3.2.2. Приливная составляющая уровня моря на входе в Обскую губу в 2005 г.: а – из отчета [7], б – по результатам моделирования

На Рис. 3.2.3. приведено сравнение скоростей течений на станции 17797 (горизонт -2,2 м). На Рис. 3.2.3.а, б показано сравнение компонент скорости, на Рис. 3.2.3в сравнение модулей, на Рис. 3.2.3 г приведен годограф измеренной скорости течений, а на Рис. 3.2.3д – годограф расчетных данных. В таблице 3.2.3. содержатся значения амплитуд приливных гармоник, полученных посредством гармонического анализа наблюдений и расчетов. На рисунке 3.2.4 приведено сравнение неприливной составляющей скоростей течений.

Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что имеется взаимное соответствие временного хода компонент скорости течения по результатам измерений и моделирования, следует отметить, что данные имеют сравнимые амплитуды, как компонент, так и суммарных величин. В годографе скорости течений для ряда наблюдений заметна стохастическая составляющая, тогда как модельные данные имеют несколько более «гладкий» вид. Как видно на рисунке 6.4.5, для неприливной составляющей в целом прослеживается похожий временной ход обоих наборов данных, хотя есть некоторое запаздывание моментов максимальных течений, что, возможно связано с недостаточной точностью данных реанализа по ветру.

21

u - зональная компонента

-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

14.8

15.8

16.8

17.8

18.8

19.8

20.8

21.8

22.8

23.8

24.8

25.8

26.8

27.8

28.8

29.8

30.8

31.8 1.9

2.9

3.9

4.9

5.9

6.9

7.9

8.9

9.9

10.9

11.9

12.9

13.9

14.9

15.9

16.9

17.9

18.9

19.9

20.9

21.9

22.9

23.9

24.9

25.9

26.9

27.9

28.9

29.9

30.9

1.10

Дата

Скор

ость

теч

ения

, м/с

Наблюдения

модель

а

v - меридиональная компонента

-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1

00.10.20.30.40.50.60.70.8

14.8

15.8

16.8

17.8

18.8

19.8

20.8

21.8

22.8

23.8

24.8

25.8

26.8

27.8

28.8

29.8

30.8

31.8 1.9

2.9

3.9

4.9

5.9

6.9

7.9

8.9

9.9

10.9

11.9

12.9

13.9

14.9

15.9

16.9

17.9

18.9

19.9

20.9

21.9

22.9

23.9

24.9

25.9

26.9

27.9

28.9

29.9

30.9

1.10

Дата

Ско

рост

ь те

чени

я, м

/с

Наблюдениямодель

б

Модуль

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

11.11.21.31.4

14.8

15.8

16.8

17.8

18.8

19.8

20.8

21.8

22.8

23.8

24.8

25.8

26.8

27.8

28.8

29.8

30.8

31.8 1.9

2.9

3.9

4.9

5.9

6.9

7.9

8.9

9.9

10.9

11.9

12.9

13.9

14.9

15.9

16.9

17.9

18.9

19.9

20.9

21.9

22.9

23.9

24.9

25.9

26.9

27.9

28.9

29.9

30.9

1.10

Дата

Скор

ость

теч

ения

, м/с

Наблюдения

модель

в

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-1 -0.5 0 0.5 1

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

1

-1 -0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1

г д

Рис. 3.2.3. Сравнение скоростей течений станция 17797 горизонт -2,2 м, а, б – компоненты, в – модуль, г – годограф измеренной скорости течений, д –

модельные данные

22

Таблица 3.2.3. Амплитуды приливных гармоник скорости течений

u - зональная компонента v - меридиональная компонента Название приливной

гармоники

Наблюдения Модель Наблюдения Модель

K1 0.05 0.07 0.02 0.08 O1 0.03 0.03 0.03 0.03 P1 0.02 0.03 0.02 0.03 Q1 0.02 0.02 0.03 0.03 K2 0.06 0.05 0.05 0.06 M2 0.25 0.29 0.29 0.40 N2 0.01 0.03 0.03 0.04 S2 0.08 0.04 0.13 0.06

u - зональная компонента

-0.5

-0.3

-0.1

0.1

0.3

0.5

0.7

14.8

15.8

16.8

17.8

18.8

19.8

20.8

21.8

22.8

23.8

24.8

25.8

26.8

27.8

28.8

29.8

30.8

31.8 1.9

2.9

3.9

4.9

5.9

6.9

7.9

8.9

9.9

10.9

11.9

12.9

13.9

14.9

15.9

16.9

17.9

18.9

19.9

20.9

21.9

22.9

23.9

24.9

25.9

26.9

27.9

28.9

29.9

30.9

1.10

Дата

Скор

ость

теч

ений

, м

/с

Наблюдения Модель

а

v - меридиональная компонента

-0.7

-0.5

-0.3

-0.1

0.1

0.3

0.5

0.7

14.8

15.8

16.8

17.8

18.8

19.8

20.8

21.8

22.8

23.8

24.8

25.8

26.8

27.8

28.8

29.8

30.8

31.8 1.9

2.9

3.9

4.9

5.9

6.9

7.9

8.9

9.9

10.9

11.9

12.9

13.9

14.9

15.9

16.9

17.9

18.9

19.9

20.9

21.9

22.9

23.9

24.9

25.9

26.9

27.9

28.9

29.9

30.9

1.10

Дата

Ско

рост

ь те

чени

й, м

/с


б

Модуль

00.

20.

40.

60.

81

14.8

15.8

16.8

17.8

18.8

19.8

20.8

21.8

22.8

23.8

24.8

25.8

26.8

27.8

28.8

29.8

30.8

31.8 1.9

2.9

3.9

4.9

5.9

6.9

7.9

8.9

9.9

10.9

11.9

12.9

13.9

14.9

15.9

16.9

17.9

18.9

19.9

20.9

21.9

22.9

23.9

24.9

25.9

26.9

27.9

28.9

29.9

30.9

1.10

Дата

Ско

рост

ь те

чени

й, м

/с


в

Рис. 3.2.4. Сравнение неприливной составляющей скоростей течений станция 17797 горизонт -2,2 м, а, б – компоненты, в – модуль

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОГНОЗНОГО (СЦЕНАРНОГО) МОДЕЛИРОВАНИЯ В настоящем разделе проведены расчеты при некоторых экстремальных годах с точки

зрения проникновения солености. В расчетах учитывается сток рек и граничные условия на северной границе в виде прилива и солености. Вопрос об экстремальном годе, с точки зрения максимального проникновения солености внутрь Обской губы, не очевиден, даже если,

23

рассматривать в качестве основного фактора, только сток рек, поскольку дальность проникновения зависит не только от минимального расхода в предпаводковый период, но и от полного стока пресной воды в Обско-Тазовскую губу за предпаводковый период.

В настоящей работе проанализирован суммарный сток основных рек (Обь, Надым, Пур, Таз) за период с 1936 по 2012гг (Раздел 2.3.). Для определения экстремального года рассмотрим график зависимости стока за интервал с 1 марта по 20 мая (единицы 350м ) от минимального расхода (единицы 3 /м с ), показанный на Рис. 4.1.б. Из этого графика следует, что основными кандидатами на экстремальность с точки зрения минимума стока являются 1956 и 1969гг, а с точки зрения минимального расхода 1954 год. Для этих годов, как и для ряда других, были проведены расчеты проникновения солености в Обскую губу. На Рис. 4.2.-4.7. приведены расчеты на грубой криволинейной сетке 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м шириной траншеи 1380 м (3 ячейки). На Рис. 4.8.-4.9. приведены расчеты на тонкой криволинейной сетке с числом ячеек 48×130, шириной 1 ячейки в области траншеи 110м, шириной траншеи 440м (4 ячейки). Система расчетных координат показана на Рис.4.1.а.

В таблице 4.1. приведены расстояния интрузии солености по результатам расчета в разные выбранные годы. Из этих результатов видно, что в предпаводковый период максимальное проникновение солености за счет колебаний речного стока происходит в 1969г. Видно, что в обычных условиях (без канала), изолиния 1 psu располагается на координате 7620 км (68.5 ºС.Ш., 20км севернее м. Каменного), 3 psu – 7755км (69,7ºС.Ш. 10км севернее Яптиксале), а 10 psu – 7844км (70,6ºС.Ш. 40км севернее Сеяхи). По данным расчетов на грубой сетке появление канала сдвигает на юг изолинию 1 psu на 7-18 км, 3 psu – на 8 - 16 км, а 10 psu – 9 - 57км в зависимости от года. Для сравнения расчеты на тонкой сетке для 1969г показывают, что появление канала сдвигает на юг изолинию 1 psu максимально на 10 км, 3 psu – на 5 км, а 8 psu – 12км, т.е. более точная аппроксимация ширины канала приводит к уменьшению проникновения соленых вод при появлении канала.

Из этой таблицы следует, что чем дальше от области канала находится изолиния, тем меньше сказывается его наличие. Также в таблице 4.1. приведены расстояния интрузии соленых вод в 1969г при учете нагона: 1 psu – 7580км (68.6 ºС.Ш., 18км южнее м. Каменного), 3 psu – 7689 (69,2ºС.Ш 23км севернее м. Трехбугорный), 10 psu – 7781 (70,2ºС.Ш 11км южнее Сеяхи), 18psu - 7910 (71,3ºС.Ш.). Эти расстояния можно взять в качестве оценки проникновения солености в Обскую губу при наличии канала возможной 1 раз в 50 - 100 лет, хотя нужно учитывать, что они несколько преувеличены из-за завышенной ширины канала взятого в расчетах.

Из данных таблицы 4.1. и соответствующих рисунков (Рис.4.7-4.8 – 1969г), относящихся к паводковому периоду, следует, что при увеличении стока соленая вода выталкивается в область бара при наличии канала также как и в его отсутствии, т.е. какого-то накопления соленых вод не происходит. Необходимо также заметить, что большинство настоящих расчетов проведены при параметрах канала завышенных по сравнению с проектными. Для основной массы расчетов взята криволинейная сетка 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м шириной траншеи 1380 м (3 ячейки). Причина, по которой выбрана именно эта сетка, а не, например, криволинейная сетка с числом ячеек 48×130, шириной 1 ячейки в области траншеи 110м, шириной траншеи 440м (4 ячейки) заключается в большом расчетном времени во 2-м варианте.

В последнем случае расчет на ПК (3,8 Ггц, 32 Гб, 64 разрядная ОС) шести модельных месяцев требует около 5-ти суток процессорного времени, а при расчетах на грубой сетке около 5-ти часов. Ясно, что при проведении большого количества расчетов, 2-й вариант трудно реализуем и только отдельные варианты расчетов проведены на более тонкой сетке.

На рисунке 4.10 приведены графики интегрального поступления соли (отрицательное значение соответствует приходу соли внутрь Обской губы) через поперечное сечение, которое находится в районе бара в поперечном направлении к оси губы.

Интегральное поступление соли через сечение является еще одной характеристикой, которая количественно описывает влияние канала на гидрологический режим Обской губы. Отметим основные сравнительные черты для этой характеристики для расчетов с каналом и без. Видно (см. рисунок 4.10а), что поступление соли внутрь Обской губы отмечено от начала

24

сравнительных расчетов (1 января 1967 г.) и до конца апреля, при этом значение этой величины больше для расчетов с каналом. Максимальное значение для обоих случаев расчетов достигается 25 апреля (соответственно 6,5*1011кг и 6,15*1011кг), когда исследуемая величина начинает убывать, в этот момент разница (с каналом и без канала) интегрального поступления соли также достигает максимума и составляет около 5%. Отметим, что для случая с траншеей промежуток времени, когда значение интегрального поступления соли при наличии траншеи больше максимального значения расчетов без траншеи составляет приближенно 14 суток (с 19 апреля по 02 мая, см. рисунок 4.10б). При рассмотрении момента достижения «нулевого баланса соли», т.е, времени когда за счет наступления паводка интегральное поступление соли достигает нулевого значения, обнаруживаем следующее (см. рисунок 4.10.в). В варианте с траншеей это событие наступает позже приблизительно на сутки. Таким образом, при анализе интегрального поступления соли внутрь Обской губы по результатам сравнительных расчетов было получено, что сооружение канала приводит к увеличению поступления солености примерно на 5% больше по сравнению с вариантом без канала, продолжительность промежутка времени с превышением максимального значения фонового состояния составляет приблизительно две недели.

а б

Рис.4.1. Система расчетных координат (а) и зависимость стока (единицы 350м ) за интервал с 1 марта по 20 мая от минимального расхода (единицы 3 /м с ) за тот же

период (б)

Таблица 4.1. Увеличение расстояния (км) интрузии солености при появлении канала

Предпаводковый период Паводковый период

Грубая криволинейная сетка 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м шириной траншеи 1380 м (3 ячейки)

1 psu 2 psu 3 psu 10 psu 18psu 1 psu 2 psu 3 psu 10 psu 18 psu

1954 7 15 13 57 32.5 1956 8.5 12 15.5 47 36 1967 9 15 8 43 40 10 45 35 40

1967 (с нагоном) 7 9 12 21 19

1968 18 17 13 20 58 33 34 26 31 30 1969 8 12 15 50 37 20 17 25 34 36

1969 (с 8 13 14 15 14

25

Предпаводковый период Паводковый период

нагоном) 1970 8 12 8 9 42 27 26 28 32 36

Тонкая криволинейная сетка с числом ячеек 48×130, шириной 1 ячейки в области траншеи 110м, шириной траншеи 440м (4 ячейки)

1 psu 2 psu 3 psu 10 psu 18psu 1 psu 2 psu 3 psu 10 psu 18 psu

1954 2 7 2 12 8 1956 3 5 5 10 6 1967 10 13 5 11 7 1969 8 5 5 8 11



72ºN

71ºN

70ºN

69ºN


Сеяха

Тамбей

Новый Порт


Рис. 4.2. Распределение солености воды на разрезе вдоль Обской губы в предпаводковый период 1969г без канала по данным моделирования на грубой

криволинейной сетке 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м шириной траншеи 1380 м (3 ячейки)



72ºN

71ºN

70ºN

69ºN


Сеяха

Тамбей

Новый Порт


Рис. 4.3. Распределение солености воды на разрезе вдоль Обской губы в предпаводковый период 1969г с каналом по данным моделирования на грубой

криволинейной сетке 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м шириной траншеи 1380 м (3 ячейки)

26



72ºN

71ºN

70ºN

69ºN


Сеяха

Тамбей

Новый Порт


Рис. 4.4. Распределение солености воды на разрезе вдоль Обской губы в предпаводковый период 1969г без канала с нагоном по данным моделирования

на грубой криволинейной сетке 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м шириной траншеи 1380 м (3 ячейки)



72ºN

71ºN

70ºN

69ºN


Сеяха

Тамбей

Новый Порт


Рис. 4.5. Распределение солености воды на разрезе вдоль Обской губы в предпаводковый период 1969г с каналом с нагоном по данным моделирования на грубой криволинейной сетке 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м

шириной траншеи 1380 м (3 ячейки)



72ºN

71ºN

70ºN

69ºN


Сеяха

Тамбей

Новый Порт


Рис. 4.6. Распределение солености воды на разрезе вдоль Обской губы в паводковый период 1969г без канала по данным моделирования на грубой криволинейной сетке 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м


27



72ºN

71ºN

70ºN

69ºN


Сеяха

Тамбей

Новый Порт


Рис. 4.7. Распределение солености воды на разрезе вдоль Обской губы в паводковый период 1969г с каналом по данным моделирования на грубой криволинейной сетке 40×112 с шириной 1 ячейки в области траншеи 460 м




72ºN

71ºN

70ºN

69ºN


Сеяха

Тамбей

Новый Порт


Рис. 4.8. Распределение солености воды на разрезе вдоль Обской губы в

предпаводковый период 1969г без канала по данным моделирования на тонкой криволинейной сетке 48×130 с шириной 1 ячейки в области траншеи 110 м

шириной траншеи 440м (4 ячейки)



72ºN

71ºN

70ºN

69ºN


Сеяха

Тамбей

Новый Порт


Рис. 4.9. Распределение солености воды на разрезе вдоль Обской губы в предпаводковый период 1969г с каналом по данным моделирования на тонкой

криволинейной сетке 48×130 с шириной 1 ячейки в области траншеи 110 м шириной траншеи 440м (4 ячейки)

28

Вынос соли

-8.0E+11

-6.0E+11

-4.0E+11

-2.0E+11

0.0E+00

2.0E+11

4.0E+11

6.0E+11

8.0E+11

01.0

108

.01

15.0

122

.01

29.0

105

.02

12.0

219

.02

26.0

205

.03

12.0

319

.03

26.0

302

.04

09.0

416

.04

23.0

430

.04

07.0

514

.05

21.0

528

.05

04.0

611

.06

18.0

625

.06

02.0

709

.07

16.0

723

.07

30.0

706

.08

13.0

820

.08

27.0

803

.09

ДатаМ

, кг

без траншеи

с траншеей

а

Вынос соли

-6.5E+11

-6.3E+11

-6.1E+11

-5.9E+11

-5.7E+11

-5.5E+11

-5.3E+11

-5.1E+11

01.0

4

08.0

4

15.0

4

22.0

4

29.0

4

Дата

М, к

г


с траншеей

б

Вынос соли

7.0E+11

7.1E+11

7.2E+11

7.3E+11

7.4E+11

7.5E+11

7.6E+11

7.7E+11

7.8E+11

15.0

7

22.0

7

29.0

7

05.0

8

12.0

8

Дата

М, к

г


с траншеей

в

Вынос соли

-1.0E+11

-8.0E+10

-6.0E+10

-4.0E+10

-2.0E+10

0.0E+00

2.0E+10

4.0E+10

6.0E+10

8.0E+10

1.0E+11

01.0

6

02.0

6

03.0

6

04.0

6

05.0

6

Дата

М, к

г


с траншеей

г

Рис. 4.10. Интегральный адвективный приход/уход солености через поперечное сечение в районе бара, а – на весь срок расчетов, б, в и г – детализация

5. ВЫВОДЫ

В настоящем исследовании работа разбита на два этапа. На первом этапе проводится верификация модели интрузии солености в Обскую губу на основе данных наблюдений. На втором этапе проводятся прогностические расчеты интрузии солености в Обскую губу с судоходным каналом и без него.

Верификационные расчеты процесса интрузии солености в Обскую губу проведены для периода проведения 49 рейса НИС “Дмитрий Менделеев” 15 августа по 15 октября 1993г . для периода экспедиции НИС «Иван Киреев» с 8 сентября по 7 октября 2005г , для экспедиции НИС OTA_777 в период с 18 сентября 7 октября 2010, в период август –сентябрь 2012г, постановки АБС в Северной части Обской губы для измерения течений. Сравнение полученных данных с данными наблюдений показало хорошее совпадение расчетов с наблюдениями.

Проведенные расчеты показывают, что основными факторами, влияющими на проникновение солености в Обскую губу, являются сток рек и ветровой нагон из Карского моря и, в меньшей степени, прилив. Наиболее глубокое проникновение солености внутрь губы происходит при сочетании минимального стока и нагонного процесса из Карского моря. Другие факторы как-то тепловые процессы, образование и таяние льда, водообмен через поверхность хотя и оказывают некоторое дополнительное влияние, но являются второстепенными.

Для проведения сценарных (прогнозных) расчетов проанализирован суммарный сток основных рек (Обь, Надым, Пур, Таз) за период с 1936 по 2012гг. На основе этого анализа выделены основные годы (кандидаты на экстремальность) с точки зрения минимума стока такими годами являются 1956 и 1969гг, а с точки зрения минимального расхода 1954 год. Для этих годов, как и для ряда других, были проведены расчеты проникновения солености в Обскую губу.

Из результатов сценарных (прогнозных) расчетов следует, что увеличение расстояния проникновения соленых вод при появлении канала не превышает 10 – 15км внутрь губы по сравнению с расчетами при отсутствии канала. Как уже было сказано по уточненным проектным данным ширина канала 295м, хотя в моделировании по причинам ограниченности

29

компьютерных ресурсов (уменьшение минимального пространственного шага приводит к уменьшению временного шага и увеличению времени счета) минимальное значение ширины равнялось 441м. В силу принятого приближения влияние канала будет еще менее значительным чем в настоящих расчетах.

Из результатов следует, что чем дальше от области канала находится изолиния, тем меньше сказывается его влияние. Расчеты в наиболее экстремальный с точки зрения минимальности стока (1969г) показали, что в предпаводковый период соленость 1-3psu может достигать области м.Каменный-м.Трехбугорный 1 раз в 50 - 100 лет. Сравнение результатов расчетов интегрального поступления солености внутрь Обской губы для варианта с каналом и без канала дает, что сооружение канала приводит к увеличению интегрального поступления солености внутрь Обской губы не более чем на 3-5%, причем продолжительность промежутка времени с превышением максимального значения фонового состояния составляет приблизительно две недели. Из результатов, относящихся к паводковому периоду, следует, что при увеличении стока соленая вода выталкивается в область бара (и за бар) при наличии канала также как и в его отсутствии, т.е. какого-то накопления соленых вод в южных областях Обской губы не происходит.

Проведенные расчеты позволяют сделать вывод, что увеличение проникновения солености внутрь Обской губы будет незначительно и не приведет к качественному изменению экосистемы, колебания солености в естественных природных условиях (в условиях без канала) существенно превышают изменения, возникающие при появлении канала. Дальнейший мониторинг процессов в Обской губе позволит уточнить полученные выводы.

Рассматриваемая работа была проведена в целях максимального учета замечаний WWF России по результатам моделирования влияния канала на интрузию солености на предыдущих этапах. Дополнительно были учтены замечания Научно-практического семинара7 в составе представителей WWF России, ОАО «ЯмалСПГ», Географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, ВНИРО, ИВП РАН, ВЦ РАН ФИЦ ИУ РАН и др.

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Harms, I.H., Karcher, M.J., 1999. Modelling the seasonal variability of circulation and

hydrography in the Kara Sea, J. Geophys. Res. 104(C6), 13431-13448. 2. Гидрологический режим Карского моря. Государственный научный центр "Арктический и

антарктический научно-исследовательский институт" URL: http://www.aari.ru/ resources/a0013_17/kara/Atlas_Kara_Sea_Winter/text/rejim.htm. (Дата обращения: 20.07.2015)

3. The Princeton Ocean Model, The Program in Atmospheric and Oceanic Sciences (AOS), Princeton University, retrieved 2010-11-13

4. Delft3D-FLOW User Manual. Deltares, 2013. 3.00 ed. 257 5. Буренков В.И., Васильков А.П. О влияние материкового стока на пространственное

распределение гидрологических характеристик вод Карского моря. - Океанология, 1994, вып. 5, с. 652-661 (см. Приложение 8).

6. Лисицин А.П., Виноградов М.Е. Международная высокоширотная экспедиция в Карское море (49 рейс НИС “Дмитрий Менделеев”). - Океанология, 1994, вып. 5, с. 643-651

7. Экспедиционные исследования ВНИИ Океангеология в Арктике, Антарктике и Мировом океане в 2005 году. Министерство природных ресурсов Российской Федерации. Федеральное агентство по недропользованию. Российская Академия наук. Всероссийский научно_исследовательский институт геологиии минеральных ресурсов Мирового океана (ВНИИОкеангеология). С-Пб. 2006 Ежегодный обзор.

7 Предварительное обсуждение итогов математического моделирования влияния судоходного морского канала в северной части Обской губы на гидродинамический и термохалинный режим Обской губы. 25-26 июня 2015 г. Учебная база ООО «Гидроэкология-КГС».

30

8. Lapin S. A., Mazo E. L., and Makkaveev P. N., 2011. Integrated Research on the Gulf of Ob (July to October 2010), Oceanology 51 (4), 711–715.

9. S.A. Lapin, 2011, Okeanologiya, 2011, Vol. 51, No. 6, pp. 984–993. Hydrological Characterization of the Ob’ Inlet in the Summer and Autumn Seasons

10. Технический отчет. Инженерные гидрометеорологические изыскания для проектирования объектов по сжижению и отгрузке природного газа в районе п. Сабетта. Том 1. договор №33/11-ЯСПГ от 11 января 2011 г. «Комплекс работ по проведению зимних ледовых и гидрометеорологических изысканий, специализированного гидрометеорологического обеспечения грузовых операций на припае в районе п. Сабетта для обеспечения проектирования объектов по сжижению и транспортировке природного газа». Санкт-Петербург 2012.

11. Технический отчет. Инженерные гидрометеорологические изыскания для проектирования морского канала в северной части Обской губы. Том 2. Договор №33/11-ЯСПГ от 11 января 2011 г. «Комплекс работ по проведению зимних ледовых и гидрометеорологических изысканий, специализированного гидрометеорологического обеспечения грузовых операций на припае в районе п. Сабетта для обеспечения проектирования объектов по сжижению и транспортировке природного газа». Санкт-Петербург 2012

12. The NCEP/NCAR Reanalysis Project at the NOAA/ESRL Physical Sciences Division http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml. (Дата обращения: 20.07.2015)

13. Changsheng Chen, Guoping Gao, Jianhua Qi, Andrey Proshutinsky, Robert C. Beardsley, Zygmunt Kowalik, Huichan Lin, and Geoffrey Cowles. A new high-resolution unstructured grid finite volume Arctic Ocean model (AO-FVCOM): An application for tidal studies. Journal Of Geophysical Research, Vol. 114, C08017, 2009.

14. Climate Data Library . URL: http://www.climatedatalibrary.cl/. (Дата обращения: 14.07.2015). 15. Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных

объектов (АИС ГМВО). СевКавНИИВХ 2014. URL: https://gmvo.skniivh.ru/. (Дата обращения: 13.07.2015).

16. R-ArcticNet - A Database of Pan-Arctic River Discharge. URL: http://www.r-arcticnet.sr.unh.edu/v4.0/main.html. (Дата обращения: 14.07.2015).

Математическое моделирование влияния судоходного …

Documents