Гидродинамические аспекты слияния рек с различными плотностями вод

  • Татьяна Петровна Любимова Институт механики сплошных сред УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Анатолий Павлович Лепихин Горный институт УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Янина Николаевна Паршакова Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Вадим Юрьевич Колчанов Институт механики сплошных сред УрО РАН; Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Carlo Gualtieri University of Napoli Federico II
  • Stuart Nicholas Lane Institute of Earth Surface Dynamics, University of Lausanne
  • Bernard Roux Aix-Marseille Université and Ecole Centrale Marseille
Ключевые слова: слияние рек, плотностная стратификация, вычислительный эксперимент

Аннотация

Слияния рек характеризуются сложными внутриводоемными процессами. Возникающие при этом гидродинамические аспекты в последние годы стали предметом весьма пристального внимания. При моделировании, как правило, принимается, что плотности вод рассматриваемых рек близки, и связанными с различием плотностными эффектами пренебрегают. В таком приближении ранее авторами изучалось слияние рек Вишера и Кама. Однако в ряде случаев температуры или минерализации вод сливающихся рек могут существенно различаться и вызывать изменение гидродинамических механизмов объединения водотоков. В настоящей работе исследуются и сопоставляются особенности слияния рек с учетом и без учета плотностных эффектов, используются как реальная, так и упрощенная (модельная) геометрии русел. Выполненные расчеты показали, что при плотностном числе Фруда ~1 (это наблюдается во взятых в качестве примера реках при различии минерализаций вод ~0,3 г/л) принципиально меняется характер смешения водотоков при их воссоединении. Более плотные воды реки Вишера начинают подтекать под менее минерализованные воды реки Кама. При превышении числом Фруда критического значения происходит кардинальная перестройка когерентных поперечных структур. Данные эффекты более рельефно проявляются для модельной конфигурации русла, так как учет неоднородности дна существенно усиливает вертикальное перемешивание. Ранее явление подтекания более плотного потока под менее плотный наблюдалось и было описано авторами при анализе слияния находящихся в подпоре Камской ГЭС рек Чусовая и Сылва.

Литература


  1. Bouchez J., Lajeunesse E., Gaillardet J., France-Lanord C., Dutra-Maia P., Maurice L. Turbulent mixing in the Amazon River: The isotopic memory of confluences // Earth Planet. Sci. Lett. 2010. Vol. 290. P. 37-43. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2009.11.054

  2. Lane S.N., Parsons D.R., Best J.L., Orfeo O., Kostaschuk R.A., Hardy R.J. Causes of rapid mixing at a junction of two large rivers: Rio Parana and Rio Paraguay, Argentina // JGR: Earth Surface. 2008. Vol. 113. F02024. https://doi.org/10.1029/2006JF000745

  3. Mackay J.R. Lateral mixing of the Liard and Mackenzie rivers downstream from their confluence // Canadian Journal of Earth Sciences. 1970. Vol. 7. P. 111-124. https://doi.org/10.1139/e70-008

  4. Rathbun R.E., Rostad C.E. Lateral mixing in the Mississippi River below the confluence with the Ohio River // Water Resour. Res. 2004. Vol. 40. W05207. https://doi.org/10.1029/2003WR002381

  5. Umar M., Rhoads B., Greenberg J.A. Use of multispectral satellite remote sensing to asses mixing of suspended sediment downstream of large river confluences // J. Hydrol. 2018. Vol. 556. P. 325-338. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.11.026

  6. Любимова Т.П., Лепихин А.П., Паршакова Я.Н., Гуалтьери К., Лэйн С., Ру Б. Влияние гидродинамических режимов на смешение вод сливающихся рек // Вычисл. мех. сплош. сред. 2018. Т. 11, № 3. С. 354-361. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.3.26

  7. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. 576 с.

  8. Lyubimova T., Lepikhin A., Konovalov V., Parshakova Ya., Tiunov A. Formation of the density currents in the zone of confluence of two rivers // J. Hydrol. 2014. Vol. 508. P. 328-342. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2013.10.041

  9. Лепихин А.П., Любимова Т.П., Возняк А.А., Паршакова Я.Н., Богомолов А.В., Ляхин Ю.С. Особенности регулирования качества воды при ее селективном заборе из водохранилищ // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2017. № 3. С. 56-68.

  10. Brown G.L., Roshko A. On density effects and large structure in turbulent mixing layers // J. Fluid Mech. 1974. Vol. 64. P. 775-816. https://doi.org/10.1017/S002211207400190X

  11. Taira D.E., Schettini E.B. Silvestrini J.H. The influence of stratification and slope in mixing layers // Proc. of the 14th IUTAM ABCM Symposium on Laminar Turbulent Transition. Rio de Janeiro, Brazil, September 8-12, 2014. P. 536-542.

  12. Cheng Z., Constantinescu G. Stratification effects on flow hydrodynamics and mixing at a confluence with a highly discordant bed and a relatively low velocity ratio // Water Resour. Res. 2018. Vol. 54. P. 4537-4562. https://doi.org/10.1029/2017WR022292

  13. Cheng Z., Constantinescu G. Stratification effects on hydrodynamics and mixing at a river confluence with a discordant bed // Environ. Fluid Mech. 2020. Vol. 20. P. 843-872. https://doi.org/10.1007/s10652-019-09725-6

  14. Horna-Munoz D., Constantinescu G., Rhoads B., Lewis Q., Sukhodolov A. Density effects at a concordant bed natural river confluence // Water Resour. Res. 2020. Vol. 56. e2019WR026217. https://doi.org/10.1029/2019WR026217

  15. Лепихин А.П. К проблеме построения гидроморфометрических зависимостей для аллювиальных русел // Географический вестник. 2015. № 3(34). С. 115-125.

  16. Launder B.E., Spalding D.B. Lectures in mathematical models of turbulence. London; New York: Academic Press, 1972. 169 p.

Опубликован
2020-12-30
Как цитировать
Любимова, Т. П., Лепихин, А. П., Паршакова, Я. Н., Колчанов, В. Ю., Gualtieri, C., Lane, S. N., & Roux, B. (2020). Гидродинамические аспекты слияния рек с различными плотностями вод. Вычислительная механика сплошных сред, 13(4), 381-392. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.3.29
Раздел
Статьи