Численное моделирование термогидродинамического режима долинного водохранилища

Актуальность исследования.

Проблема использования водных ресурсов на современном этапе развития человечества становится все более актуальной. Возникновение новых хозяйственных объектов и нерациональная эксплуатация старых приводит к снижению качества вод пресных водоемов, иногда до полного исчезновения существующих экосистем. Проблемы ухудшения экологического состояния водоемов, связанные с усилением антропогенной нагрузки, усугубляются глобальными климатическими изменениями, происходящими в последние десятилетия. Они выражаются в заметных температурных трендах, наблюдающихся в приземных слоях атмосферы [49] и в водной толще [15], и изменении режима ветрового воздействия, что вызывает перестройку термической структуры и обменных процессов. Повышение температуры воды и образование застойных и слабопроточных зон способствует появлению новых видов [51, 34] и увеличению продолжительности и интенсивности цветения токсичных сине-зеленых водорослей [97]. Другой актуальной проблемой становится изменение температурного режима водоемов-охладителей. В связи с этим необходимость исследования термических и гидродинамических процессов в водоемах приобретает все более острый характер. Особенно это актуально для Иваньковского водохранилища, как источника питьевого водоснабжения г. Москвы.

Существенный прорыв в теоретическом и практическом направлениях этих исследований оказался возможен благодаря развитию численных методов и информационных технологий. Развитие математического моделирования в области гидрологии позволяет проводить новые, ранее недоступные исследования природных и антропогенных факторов, влияющих на состояние водоемов. Существует множество моделей, описывающих природные процессы с разных позиций и с разными допущениями. Выбор модели для проведения конкретного исследования определяется условиями поставленной задачи.

При моделировании процессов во внутренних водоемах наибольшее распространение получили осредненные по вертикали модели. Между тем, многочисленные измерения, проведенные на значительном ряде водоемов, показывают, что вертикальная структура гидродинамических и термических параметров не является однородной. Поэтому расчеты, проведенные с использованием двумерных моделей, имеют существенные ограничения. Использование трехмерных моделей позволяет 5 исследовать вертикальную гидродинамическую, термическую и турбулентную структуры, в значительной степени определяющие процессы переноса в водоемах. Специфической задачей является моделирование долинных водохранилищ, для которых характерна значительная расчлененность рельефа дна и наличие русла затопленной реки, чего не наблюдается в искуственных водоемах других морфометрических типов.

Оценка степени влияния изменений климата и антропогенной нагрузки в виде теплового загрязнения от сбросов Конаковской ГРЭС на экологическое состояние Иваньковского водохранилища, как проточного водоема-охладителя и источника водоснабжения г. Москвы, определила цель работы, заключающуюся в расчете характеристик термогидродинамической структуры Иваньковского водохранилища путем адаптации трехмерной математической модели ОЕТМ.

Задачи исследования.

В задачи исследования входит:

• Сравнительный анализ существующих эмпирических и численных моделей гидродинамического и термического режимов водохранилищ и водоемов-охладителей;

• Адаптация численной трехмерной математической модели ОЕТМ для расчетов термического и гидродинамического режимов для Иваньковского водохранилища и Мошковического залива с учетом его функции водоема-охладителя;

• Проведение натурных исследований с целью валидации модели применительно к Иваньковскому водохранилищу;

• Сравнение результатов численных расчетов с данными наблюдений;

• Расчет возможных изменений в термическом и гидродинамическом режимах Иваньковского водохранилища при увеличении мощности Конаковской ГРЭС и экстремальных погодных условиях;

• Исследование влияния ветрового воздействия на термогидродинамическую структуру Иваньковского водохранилища и на охлаждающую способность Мошковического залива;

• Исследование влияния вертикальной турбулентной структуры на процессы массо-и термообмена на основе данных численных экспериментов для выявления условий возникновения и факторов развития структур, неблагоприятных с экологической точки зрения и влияющих на качество вод.

Защищаемые положения.

• Трехмерная численная модель термогидродинамической структуры Иваньковского водохранилища, созданную на базе усовершенствованной модели вЕТМ.

• Выявленные особенности термического режима Иваньковского водохранилища при экстремальных метеорологических условиях и изменяющемся тепловом сбросе с Конаковской ГРЭС.

• Роль ветрового форсинга в изменении термогидродинамической структуры Иваньковского водохранилища и Мошковического залива, а также охлаждающей способности последнего.

• Комплекс безразмерных параметров турбулентности, позволяющий выделить экологически неблагоприятные зоны Иваньковского водохранилища, характеризующиеся слабым массообменом.

Научная новизна.

Впервые для Иваньковского водохранилища представлена и проанализирована трехмерная численная модель термогидродинамической структуры. Для валидации модели были получены новые данные натурных исследований, проведенных автором. Впервые выполнены прогностические численные расчеты термического режима Иваньковского водохранилища и Мошковического залива, как водоема-охладителя, в условиях экстремальных гидрометеорологических ситуаций и повышенного сброса с ГРЭС. Получена оценка ветрового воздействия на термогидродинамическую структуру Иваньковского водохранилища с помощью трехмерной модели, рассмотрено влияние направления ветра на охлаждающую способность Мошковического залива. Предложен комплекс безразмерных параметров для характеристики процессов турбулентного обмена в водохранилище и выявления экологически неблагоприятных зон.

Практическая значимость работы.

Результаты работы позволяют провести оценку возможности возникновения теплового загрязнения вод и нарушения определенных условий эксплуатации водоема-охладителя при глобальном изменении климата и увеличении мощности Конаковской ГРЭС. По данным измерений разработана цифровая батиметрическая карта Иваньковского водохранилища, позволяющая использовать различные модели для расчета и прогнозирования изменений термогидродинамического режима Иваньковского водохранилища. Разработана методика определения условий возникновения гидродинамических структур, неблагоприятных для экологической системы водохранилища.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов исследования подтверждается результатами натурных исследований с использованием существующих апробированных методов измерений, использованием известных физических предпосылок, положенных в основу модели, положительными результатами сравнения результатов численных расчетов с данными натурных измерений.

Апробация работы.

Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на заседаниях семинаров и Ученого Совета ИВП РАН, на конференции «EGU General Assembly 2012», IV Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России», IV Международной научно-практической конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов».

В главе 1 на основе обзора литературных источников приводится классификация водохранилищ, отмечаются основные особенности долинных водохранилищописываются термические и гидродинамические процессы, происходящие в открытых водоемах в безледный период. Приведены основные положения расчета теплового баланса водоемов и обзор основных параметров турбулентности. Отмечается, что изучение гидродинамики и термики водохранилищ началось с момента их проектирования и отражает общие закономерности, присущие внутренним водоемам. В связи с интенсивным развитием энергетики, использующей системы водяного охлаждения, в последнее время получили широкое развитие исследования гидродинамики и термики водоемов-охладителей. В главе рассматриваются характерные черты их термического режима и особенности гидродинамического режима, анализируются методы численного моделирования термического режима. Отмечается, что современное развитие математического моделирования позволяет существенно повысить эффективность исследования термического и динамического режима водохранилищ и водоемов-охладителей. Приводится обзор основных подходов в математическом моделировании термогидродинамических процессов внуренних водоемов и некоторых моделей. Обосновывается выбор трехмерной модели GETM для численного моделирования термогидродинамической структуры Иваньковского водохранилища, приводится система базовых уравнений и граничных условий. Преимущества модели вЕТМ по сравнению с другими моделями заключаются в ее доступности, открытости, т. е. возможности изменения кода применительно к задачам, поставленным в работе. Модель вЕТМ опробована для многих водных объектов, в том числе мелководных, позволяет использовать для замыкания различные модели турбулентности и разные возможности расчета биогеохимических характеристик. В настоящее время йЕТМ используется в качестве основной модели для прогноза уровней воды, скоростей, солености и температуры в Королевской Администрации навигации и гидрографии в Дании и в Объединенном Исследовательском Центре Европейской комиссии в качестве основополагающего компонента для создания согласованных многолетних расчетов для всех европейских региональных морей.

В главе 1 также приводится один из сценариев изменения климата и рассматривается влияние глобального потепления на термический режим водохранилищ и их эвтрофикацию. На основании проведенного анализа делается вывод о необходимости прогноза термического режима водохранилища, как основного фактора формирования экологического состояния, в условиях глобального потепления при наличии тепловой антропогенной нагрузки. Приводится также обзор литературных данных о влиянии режима течений и характеристик турбулентности на водные организмы и экологическое состояние водоемов. Анализируются работы, посвященные современному состоянию исследований Иваньковского водохранилища — источника питьевого водоснабжения г. Москвы.

Во второй главе представлено описание натурных исследований на Иваньковском водохранилище, приводится методика проведения и основные результаты исследований. Показано применение модели к Иваньковскому водохранилищу, изложены результаты верификации модели по данным натурных измерений, а также по литературным данным. Приведены результаты применения модели, анализ гидродинамической структуры водохранилища по данным моделирования, результаты модельного эксперимента в экстремально жарких метеоусловиях.

В третьей главе представлены результаты натурных иелледований в Мошковичевском заливе, показано применение модели к Мошковичевскому заливу, изложены результаты применения модели, проведен анализ термической и динамической структуры залива, проведена оценка влияния теплового сброса ГРЭС на термический и динамический режимы залива, оценена возможность нарушения существующего режима эксплуатации Иваньковского водохранилища как водоема-охладителя при экстремальных метеоусловиях, описаны результаты эксперимента определяющего влияние направления ветра на термический и динамический режим Мошковичевского залива.

В главе 4 диссертации рассматриваются вертикальная турбулентная структура Иваньковского водохранилища и Мошковичевского залива.

В работе использован обширный материал, подготовленный на базе многочисленных теоретических разработок, натурных и лабораторных исследований динамики течений, процессов переноса примесей и тепла в водохранилищах и водоемах-охладителях, проводившихся отечественными и зарубежными учеными. Проведена большая работа с коллективными работами и монографиями, сборниками статей и материалами конференций, содержащими как материалы исследований авторов, так и обобщение достижений науки. Кроме того проводилась работа с первоисточниками этих работ и официальными данными научно-исследовательских и проектных организаций в сети Интернет. Используется материал обширных натурных исследований на Иваньковском водохранилище и в Мошковичевском заливе, проводившихся в 2010;2011 гг. в ИВП РАН с участием автора. С перечнем использованных при написании работы источников и именами авторов можно ознакомиться в списке использованной литературы.

Основные результаты выполненного исследования представляются следующими:

1. Использование трехмерной математической модели, благодаря учету вертикальной структуры потока, позволило выявить влияние ее изменения на процессы массои теплообмена в Иваньковском водохранилище.

2. Для обеспечения необходимой информационной базы модели проведена серия подробных натурных исследований, в ходе которых основное внимание уделено измерению глубин, температуры воды Иваньковского водохранилища на заданной сетке. Построенная цифровая батиметрическая модель Иваньковского водохранилища по данным натурных измерений, которая может быть использована для различных моделей применительно к данному водоему.

3. Сравнение результатов численного моделирования и данных натурных наблюдений, проведенных автором и отраженных в других доступных источниках, показало хорошее совпадение в большей части моделируемой области водохранилища. Проведена оценка погрешностей расчетов мелководных зон, которая показала их незначительное влияние на термогидродинамическую структуру всего водохранилища.

4. Проведенный модельный эксперимент при экстремальных с точки зрения охлаждения водохранилища метеорологических условиях показал, что температура воды в водохранилище, особенно в его мелководных частях и в Мошковичевском заливе, подверженном влиянию подогретых вод Конаковской ГРЭС, может достигать значений, критических для существования экосистемы водохранилища и эксплуатации теплостанции, а зона влияния подогретых вод Мошковичевского залива увеличится до 1,5−2 км от его устья.

5. Проведены подробные натурные измерения и серия численных экспериментов для оценки термогидродинамического режима Мошковичевского залива и его влияния на акваторию Иваньковского водохранилища в целом.

6. Коэффициент корреляции рассчитанных и измеренных величин температуры воды в Мошковическом заливе составляет 0,99. Отличия измеренной температуры воды от рассчитанной на большей части площади залива не превышает 0,5 °С, относительная средняя квадратическая ошибка составляет 3%. Анализ динамической и термической структуры Мошковичевского залива показал, что в заливе можно выделить 5 зон с различным динамическим и термическим режимом.

7. Анализ численных экспериментов дал возможность оценить влияние на термогидродинамический режим Мошковического залива телового сброса с Конаковской ГРЭС. Изменение вертикальной термической структуры залива под влиянием сбросных вод выражается прежде всего в уменьшении перепада температуры воды в южной зоне и увеличении амплитуды температуры воды по вертикали в остальной части.

8. Моделирование экстремального теплового режима и анализ вертикальной турбулентной структуры позволили выявить опасные с экологической точки зрения зоны, условия их формирования и развития и дать оценку возникновения ситуаций, ограничивающих характеристики эксплуатации Мошковического залива как водоема-охладителя.

Заключение

.