Введение 3 ВВЕДЕНИЕ

Введение
3 ВВЕДЕНИЕ
Устьевые области рек приливных морей относятся к водным объектам с наиболее
сложными гидролого-гидрохимическими условиями. Здесь пространственно-временная
изменчивость многих гидрохимических показателей может на 1-2 порядка превышать их
колебания в чисто речных или чисто морских водах. Подобная ситуация, в основном,
связана с воздействием приливных явлений на фронтальные разделы между водами
различного генезиса, в частности, между пресными и солеными водами. С другой
стороны, устья рек обычно служат местами концентрации населения, промышленных,
гидротехнических и сельскохозяйственных объектов, а также зонами интенсивного
использования водных, биологических и рекреационных ресурсов Все это обуславливает
значительную сложность процессов формирования качества устьевых вод, что, в свою
очередь, вызывает большие затруднения при оценке их состояния для решения задач
оптимизации хозяйственного использования и сохранения экологической безопасности.
К сожалению, следует констатировать отсутствие в нашей стране научно обоснованной
методической базы, позволяющей получать эффективные результаты при проведении
различного рода теоретических и прикладных расчетов режимных, прогнозных и других
гидрохимических характеристик рассматриваемых водных объектов Это во многом
обусловлено отсутствием серьезных исследований воздействия приливных явлений на
гидрохимические процессы Имеющиеся методики для зон смешения речных и морских
вод, в силу исторических особенностей развития России (СССР), были адаптированы
главным образом к условиям неприливных морей (Балтийского, Черного, Азовского,
Каспийского). Их применение для приливных устьев рек часто дает некорректные
результаты. Это во многом обусловлено принципиальными различиями в масштабах
пространственно временной изменчивости природных условий приливных и неприливных
морей За рубежом, особенно в странах
Западной Европы, США, Австралии и Японии данной проблеме уделяется большое
внимание, учитывая значительную урбанизированность их морских побережий. Но при
этом используемые методы численных оценок в основном базируются на
гидродинамических моделях, разработанных в 60-70-е годы двадцатого столетия и
осовремененных за счет применения компьютерных технологий. Следует также отметить
отсутствие для решения ряда экологических задач каких-либо методических приемов,
учитывающих специфику приливных явлений.
В последнее время резко повысились возможности проведения детальных натурных
исследований поверхностных вод за счет использования автоматизированных систем и
портативного измерительного оборудования. Это, в свою очередь, открывает широкие
перспективы для разработки и практической реализации разнообразных эмпирических
моделей на основе статистического анализа натурных данных. Но для решения различных
задач в рамках рассматриваемой проблемы необходимо осуществить выбор наиболее
оптимальных расчетных алгоритмов, учитывающих особенности гидрохимического
режима приливных устьев рек.
Интенсификация освоения в последние годы северных и дальневосточных морей
Российской Федерации, где наблюдаются приливы, требует значительного увеличения
объема информации об их природных условиях и реакции водных экосистем на
техногенное воздействие. Особенно остро данный вопрос стоит для устьев рек Белого и
Баренцева морей в связи с широкомасштабным развитием в Баренц-регионе
хозяйственной деятельности по разведке, добыче, переработке углеводородного сырья,
полиметаллических руд, алмазов, с повышением объемов производства в лесной и
лесохимической промышленности и формированием новых транспортных коммуникаций.
Все это влечет за собой значительное увеличение использования водных ресурсов
приливных устьев рек и порождает различные негативные эффекты для
5
их экосистем. Для решения проблемы охраны и рационального использования устьевых
вод крайне необходимо особое внимание уделить методическим аспектам расчетов и
прогнозирования гидрохимических характеристик, учитывающих специфику их
природных условий.
Диссертационная работа направлена на решение данной проблемы, и ее целью являются
исследования особенностей гидрохимических процессов в устьях рек приливных морей, а
также разработка методов расчета и прогнозирования параметров химического состава
вод подобных водных объектов, в том числе ориентированных на решение
водохозяйственных и экологических проблем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• выявить специфику формирования химического состава вод разнотипных приливных
устьев рек под влиянием различных факторов, включая антропогенное воздействие;
• провести анализ существующих методов расчета и прогнозирования гидрохимических
характеристик устьевых зон;
• подготовить научно-методическое обоснование гидрохимического прогнозирования с
учетом специфики рассматриваемых водных объектов и практического использования
прогнозной информации,
• провести модификацию существующих методов и разработать новые подходы для
численной оценки химического состава вод устьев рек приливных морей;
• предложить модели (расчетные схемы) для конкретных видов водопользования,
хозяйственной и иной деятельности в приливных устьях рек и алгоритмы их практической
реализации;
• дать научно-методическое обоснование гидрохимического мониторинга состояния вод
устьев рек приливных морей.
Для их решения привлекались результаты полевых наблюдений, проведенных автором в
устьях больших, средних и малых рек Белого и
6
Баренцева морей, в период его работы в Северном УГМС, ИВП РАН и Северном
отделении ПИНРО в 1981- 2002 годах, информация, полученная при
экспериментировании с различными расчетными методами и математическими моделями,
а также анализ публикаций по рассматриваемой теме.
В диссертационной работе на защиту выносятся следующие положения:
• закономерности процессов формирования химического состава вод в устьях рек
приливных морей во взаимодействии с определяющими их факторами на примере Белого
и Баренцева морей;
• методология определения режимных гидрохимических характеристик, учитывающая
специфику устьев рек приливных морей;
• научно-методическое обоснование методов прогнозирования гидрохимических
показателей, адаптированных для приливных устьев рек;
• методы решения конкретных прикладных задач для разнотипных устьевых областей рек
приливного моря, связанных с необходимостью оценки химического состава устьевых
вод;
• научно-методическое обоснование мониторинга качества поверхностных вод в устьях
рек приливных морей и рекомендации конкретных схем его проведения
Впервые выполнен анализ особенностей формирования химического состава вод устьев
рек приливных морей на основе изучения влияния приливных эффектов. Показано
наличие полипериодичности в изменчивости гидрохимических характеристик и ее связь с
природными и техногенными факторами. Выявлено наличие доминирующих колебаний в
различных масштабах изменений (приливных, синоптических, сезонных) исследуемых
параметров. Определена специфика гидрохимических режимов устьев рек с различной
величиной прилива Впервые установлен
7
эллипсообразный характер связи гидрохимических показателей с приливными
изменениями уровня воды.
Предложены методы для расчета режимных и фоновых гидрохимических характеристик
приливных эстуариев. Их принципиальная новизна состоит в применении робастных
подходов и учете приливной изменчивости исследуемых показателей.
Исходя из специфики гидрохимических прогнозов в приливных устьях рек, предложена
их новая классификация с учетом подходов, применяемых при составлении морских
гидрологических и речных гидрохимических прогнозов. Показана возможность
проведения прогнозных расчетов с использованием различных методов, которые в общем
случае можно свести к одномерной регрессионной модели. Разработан новый вид
одномерной регрессионной модели на основе интервальных медиан, позволяющей
проводить расчеты при любом распределении регрессионных остатков, что, в частности,
не позволяет классический метод наименьших квадратов. К новому направлению можно
отнести предложение применять регрессионные модели, учитывающие связь
гидрохимических параметров с приливными колебаниями уровня воды. Их целесообразно
применять для прогнозирования с применением навигационного пособия Таблицы
приливов, в которых дается предсказание величины прилива на год вперед.
Разработан новый подход к определению коэффициента дисперсии для одномерных
моделей переноса примеси в приливном водотоке.
Впервые предложены эмпирический метод разработки нормативов ПДС и
мониторинговый метод оценки техногенного влияния гидротехнических сооружений,
учитывающие особенности
гидрохимических процессов в приливных устьях рек. Даны новые рекомендации по
проведению проектных изысканий в подобных водных объектах. Предложены новые
научно-методические принципы
организации мониторинга качества устьевых вод, принимающие во внимание наличие
приливных явлений
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и
приложения. В первой главе дается классификация устьев рек и приливных явлений,
рассматривается механизм смешения речных и морских вод при различных величинах
прилива с учетом геоморфологических особенностей устьевых водотоков и водоемов. Во
второй главе раскрывается специфика формирования гидрохимического режима
приливных устьев рек, в третьей главе приведен краткий обзор состояния исследований
гидрохимии устьев рек приливных морей. Четвертая глава посвящена научнометодическому обоснованию процедур расчета режимных и прогнозных гидрохимических
характеристик в приложении к приливных устьям рек. В пятой главе предлагаются
наиболее оптимальные подходы для решения прикладных задач, связанных с
использованием устьевых водных ресурсов, и в шестой главе дается научно-методическое
обоснование организации мониторинга химического состава вод рассматриваемых
водных объектов.
Разработанные методы расчетов и прогнозирования гидрохимических характеристик для
устьев рек приливных морей дают возможность решать широкий круг прикладных
водохозяйственных и экологических задач. В работе приводится ряд примеров подобных
решений для конкретных устьев рек Белого и Баренцева морей.
9
ГЛАВА 1. ПРИЛИВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В УСТЬЯХ РЕК И ИХ РОЛЬ В СМЕШЕНИИ
РЕЧНЫХ И МОРСКИХ ВОД
К настоящему времени в гидрологической литературе сформировалось следующее
определение устьевой области реки применительно к прибрежной зоне моря [1] Устьевая
область реки (устье реки) — это особый географический объект, охватывающий район
впадения реки в море, обладающий специфическим строением, ландшафтом и режимом и
формирующийся под воздействием устьевых npoifeccoe динамического взаимодействия и
смешения вод реки и моря, отложения и переотложения речных и частично морских
наносов, приводящих к образованию конуса выноса, а нередко и дельты В зарубежной
литературе, а также многими отечественными исследователями, особенно экологами, в
качестве синонима данного термина чаще всего применяется определение эстуарий
{estuary). В нашей стране этому определению с гидрологических позиций придается более
узкое толкование как воронкообразного устья реки (полузакрытого устьевого взморья
реки). Следует отметить, что за рубежом термин эстуарные воды обычно применяют лишь
к зоне смешения речных и морских вод Для освещения гидрохимического режима
подобной зоны в устьевой области такой термин является весьма удобным, т к
определение устьевые воды включают в себя и чисто речные воды в пределах участков, на
гидрологию которых море может оказывать существенное влияние. В отечественной
научной литературе, посвященной исследованиям гидрохимии и биологии устьев рек,
термин эстуарий очень часто применяется к разнотипным водным объектам без учета
особенностей их геоморфологии. По мнению автора, это не совсем корректно, особенно в
отношении многорукавных дельт.
Классификация (типизация) устьев рек и их отдельных районов с различных
экосистемных позиций является достаточно сложной
10
проблемой, не имеющей однозначного решения. Наиболее подробно эта проблема
рассмотрена в работах [1-4]. В качестве примера наиболее обоснованного подхода к ее
решению можно привести классификацию известного специалиста по устьям рек
Михайлова В.Н, которая показана в таблице 1.1 со ссылками на конкретные реки Белого и
Баренцева морей. На рисунке 1.1 проиллюстрирована специфика морфологии для
различных типов устьев рек на примере водных объектов, упомянутых в таблице 1.1.
Напомним, что реки Онега и Северная Двина принадлежат бассейну Белого моря, а Пеша,
Индига, Коротаиха и Печора - бассейну Баренцева моря.
Таблица 1.1
Классификация устьевых областей рек и их частей по морфологии [4]
Устьевой Устьевое взморье Устьевая область Примеры
участок реки реки устьевых
областей рек
Однорукавный открытое I простая Онега
(бездельтовый) полузакрытое
(эстуарий) II эстуарная
- без блокирующей Hi эстуарная без Мезень, Пеша
косы блокирующей косы
- с блокирующей Щ эстуарная с Индига
косой блокирующей косой
Мало-или- полузакрытое III остуарно-депътовая
многорукавный (с дельтой выполнения)
(дельтовый) - без блокирующей
косы IIIi эстуарно-делътовая Коротаиха
без блокирующей косы
- с блокирующей
косой Шг эстуарная-делътовая с Печора
блокирующей косой
открытое IV дельтовая Северная
(с дельтой выдвиэюения) Двина, Черная
Следует заметить, что из этой классификации выпадают осолоняемые озера с наличием
приливных явлений и соединенные узкими, сравнительно длинными протоками с
открытой морской акваторией.
Онежский залив
м. Польской.
а)
¦ п.Беяушье
М 1:200000
11
Чешская губа
М 1:200000
М 1:200000
М 1:200000
лр. Ябтояха*
Баренцево морг
е)
Двинский залив
1-3000000
г Архангельск ?^*.
1-750000
Рис.1 1. Карта-схемы различных типов устьев рек Белого и Баренцева морей а) р Онега,б)
р Пеша; в) р. Индигэ; г) р Коротаиха; д) р Печора, е) р Северная Двина
12
Такие озера, в частности, характерны для прибрежных низменных территорий
Болыпеземельской тундры и архипелага Новая Земля в Баренцевом море. На отдельных
участках, в частности, на побережье Печорской губы, также возможно образование
сложных устьевых систем, сформированных из множества соединяющихся между собой
небольших водотоков и водоемов. Они, как правило, располагаются на водосборах 2-3
малых рек, доступны для приливной волны и интрузии морских вод.
Устьевые области рек, впадающих в моря, являются водными объектами с весьма
сложными природными условиями. Здесь локализуются фронтальные зоны, генерируемые
разнонаправленными потоками энергии и массы со стороны суши и стороны моря. Во
многих случаях устья рек могут служить интегральными показателями разнообразных
процессов, происходящих на обширной площади речного водосбора и на примыкающей
морской акватории. С другой стороны, подобные объекты представляют собой один из
активнейших центров химических превращений в водных экосистемах [3]. Это
накладывает определенную специфику на хозяйственное использование водных ресурсов
в подобных районах.
Взаимодействие речных и морских вод, в свою очередь, приобретает еще более сложный
характер при наличии четко выраженных приливных явлений, имеющих различные
временные масштабы - от нескольких часов до нескольких десятков лет.
Индикатором приливных явлений в водных объектах обычно служат соответствующие
изменения уровня воды. Моменты наступления его экстремумов обозначают терминами
полная вода (время фиксации наивысшего уровня) и малая вода (время фиксации
наинизшего уровня). Максимальная величина прилива может достигать 1 б метров (залив
Фанди в Канаде).
13
Приливные колебания уровня моря связаны с влиянием астрономических факторов и
формируются под действием Луны, Солнца и планет солнечной системы. Луна
обращается вокруг Земли за 28 суток, а система Земля-Луна обращается вокруг Солнца за
365,2 суток. Траектории Луны вокруг Земли и Земли вокруг Солнца являются
эллиптическими, следовательно, сила притяжения за период обращения проходит через
максимум и минимум.
Приливообразующая сила может быть представлена как сумма гармонических
составляющих. Периоды наиболее важных гармоник представлены в таблице 1.2. Кроме
гармоник, периоды которых близки к половине суток и к суткам, а также мелководных
составляющих, следует выделить приливные циклы с периодом 15 суток, 1 месяц и 6
месяцев.
Таблица 1.2 Характеристика основных составляющих волн прилива [5]
№ Тип Наименование Обозначение Период,
п/п волны волны час
1 Суточная Лунно-солнечная деклинационная к, 23 93
2 Лунная главная О, 25 82
3 Солнечная главная Pi 24 07
4 Лунная большая эллиптическая Qi 26 87
5 Полусуточная Лунная главная м2 12 42
6 Солнечная главная So 12 00
7 Лунная большая эллиптическая N2 12 66
9 Лунно-солнечная деклинационная к2 11 97
10 Мелководные 1А - суточная м4 6 21
11 составляющие 'А- суточная MS4 6 10
12 коротких 1/6 — суточная м6 4 14
периодов
Волны М2, К], S2 и О], если не учитывать влияние мелководий, обуславливают до 70 %
общей приливообразующей силы. При этом доминирующая роль принадлежит волне М2
14
Тип приливов в различных частях земного шара может значительно отличаться друг от
друга. За основу классификации приливов принимается подобие в изменчивости
количества полных и малых вод, симметрия в нарастании и спаде уровня, а также так
называемых суточных и полумесячных неравенств прилива. Наиболее удобным
формальным критерием для отнесения приливов к определенной группе является
величина сумм амплитуд (Н) главных суточных составляющих волн К/ и О] к амплитуде
главной лунной полусуточной составляющей волны
В российских навигационных пособиях приливы принято подразделять на полусуточные,
суточные, смешанные и аномальные. Полусуточные приливы характеризуются тем, что в
каждые сутки фиксируются две полные и две малые воды, поэтому период
рассматриваемого явления составляет половину суток (точнее, половину лунных суток - в
среднем 12 ч 25 мин.). Высоты следующих друг за другом полных и малых вод мало
разняться между собой, т.е. суточные неравенства в высотах полных и малых вод
выражены слабо. При этом подъем и спад уровня воды хорошо аппроксимируются
синусоидальной кривой Изменения величин приливов вследствие полумесячного
неравенства зависит от фазы Луны. Приливы с большими величинами наблюдаются в дни
полнолуния и новолуния (сизигийные приливы). В последующее время величина прилива
постепенно уменьшается и с переходом Луны в первую или третью четверть наступают
наименьшие за месяц приливы (квадратурные приливы). Рассматриваемый тип приливов
характеризуются величиной отношения 0.0 < (Hki + Hoi)/ Нмг
<0.5. Хорошо выраженные полусуточные приливы наблюдаются в пределах почти всего
Атлантического океана, а также в Баренцевом море и на многих участках Белого моря.
Суточные приливы характеризуются тем, что в течение суток наступает одна полная и
одна малая вода, поэтому период данного явления
15
равен суткам. Во время прохождения Луны через экватор при суточных приливах могут
наблюдаться стояния уровня. В остальное время подъем и падение уровня воды
протекают по квазисинусоидальной кривой. Полумесячное неравенство суточных
приливов зависит от склонения Луны. При ее малых склонениях величины приливов
становятся незначительными (экваториальные приливы). Возрастание величины прилива
начинается с увеличением склонения Луны и достигает наибольшего значения в дни ее
максимального склонения (тропические приливы). Данный тип приливов характеризуется
величиной отношения (Hki + Hot)/ Нм2 > 4.0. Суточные приливы встречаются редко,
главным образом, в морях бассейна Тихого океана.
Смешанные приливы имеют более сложный характер по сравнению с чисто
полусуточными и суточными приливами. На протяжении месяца период приливных
колебаний уровня воды меняется с полусуточного на суточный и наоборот, суточные
неравенства то появляются, то исчезают или сменяются стояниями уровня. Смешанные
приливы подразделяются на две группы: неправильные полусуточные и неправильные
суточные. В первую группу включают такие разновидности смешанных приливов,
которые по форме изменчивости подходят ближе к полусуточным приливам. Они обычно
сохраняют две полные и две малые воды в сутки, но в некоторые дни второе колебание
уровня столь незначительно, что прилив можно считать полусуточным только условно.
Данный тип прилива характеризуется величиной отношения 0.5 < (Hki + HOi)/ HM2 < 2.0.
Он распространен в Индийском и Тихом океанах. Вторая группа приливов включает в
себя разновидности смешанных приливов, характеризующихся преобладанием приливов
суточного характера. Для них отношение волновых составляющих представлено
выражением 2.0 < (НК1 + Hoi)/ HM2 < 4.0. Неправильные суточные приливы чаще всего
встречаются в Тихом океане.
16
Аномальные приливы отличаются по отдельным признакам от перечисленных выше
основных типов прилива. Приливы заметно могут усложняться под влиянием
конфигурации берегов и мелководья. В данной ситуации к общему названию прилива
добавляется наименование мелководный. Воздействие мелководья проявляется чаще
всего в полусуточных приливах в виде изменений продолжительности роста и падения
уровня, т.е. в нарушении симметричности его изменений. Полусуточный (суточный)
мелководный тип прилива представляет характерное явление для устьев рек приливного
моря. Приливные колебания уровня воды на морской границе устья реки вызывают
изменения наклона водной поверхности, которые проявляются в распространении
гравитационных волн вверх по устьевому водотоку. Скорость их распространения прежде
всего, зависит от глубины водотока и ее отношения к величине прилива, а также наличия
ледяного покрова Она понижается с уменьшением глубины, поэтому ее профиль
существенно искажается по мере продвижения прилива в сторону суши. Это, в частности,
хорошо видно на трансформации прилива в эстуарии реки Пеши, впадающей в Чешскую
губу Баренцева моря (рис. 1.2). В мористой части эстуария в период наблюдений при
наличии льда величина прилива достигала 3.5 м, а на створе с.Нижняя Пеша (42 км выше
его морской границы) она не превышала 10 см.
Иногда влияние мелководья и других факторов становится столь значительным, что на
кривой полусуточных приливов появляются дополнительные полные и малые воды, т.е.
приливы становятся как бы двойными полусуточными. Подобное явление, в частности,
отмечается в устьях таких рек Белого моря, как Северная Двина и Зимняя Золотица (рис.
1.3). Другим примером искажения приливов местными условиями может служить
довольно редкое явление, известное под названием "бор" или "маскаре". Оно
характеризуется тем, что прилив продвигается вверх по реке в виде волны или ряда волн с
очень резким подъемом уровня.
17
а)
Н,см
500
400 -¦
300 ¦¦
200 ¦¦
100 ¦•
-I—I—I—I—\-0 12 3 4 5
-I—I—\6 7 8 9 10 11 12 Т.час
Н, см
400
300 -¦
200 -¦
100 -I—i—i—\-I—l—t012345
6 7 8 9 10 11 12 Т, час
В)
г)
Н, см
400
300 -¦
200 -¦
100
н—I—I—h
н—i—i—i—I01 23456789 10 11 12
Т, час
Н.см
200
н—i—н
Ч----1----h
0 1 2345
н—н 6 7 8 9 1011 12 Т. час
Рис. 1.2. Трансформация приливной волны в устье р.Пеши, приведенной к единой
временной шкале, на створе 5 км (а), 12 км (б), 21 км (в) и 30 км (г) выше границы с морем
по данным наблюдений 7-11 февраля 1982 года
Список литературы