• 5

2.2 Результаты расчетов

Модель численно реализована с использованием полунеявной ко­нечно-разностной схемы [13]. При численном решении уравнении Д

,кения используется алгоритм, основанный на схеме расщепления по физическим процессам. На первом дробном шаге осуществляется пере­нос импульса адвекцией и диффузией, а на втором дробном urate модс- ,ируегся адаптация гидродинамических полем [15J. Уравнение для юлптины льда (15) решается методом Рунгс-Кутта.

Напомним, что Тедецкое озеро - глубокий проточный водоем вы­тянутой формы (рисунок 9.1). Длина озера 77.8 км, максимальные ши­рина 5-2 км, глубина 325 м. Основная часть стока в озеро поступает чсрс4 р.Чулышман в южном его конце и вытекает в противоположном, северо-западном, сто конце через р.Ьию [20].

Расчеты термической структуры Телецкого озера и анализ их ре- зультаюв проведены для 1968 -1969 гидрологического года, данные измерений но которому наиболее полно представлены в литературе и в материалах наблюдений [16, 17, 20). Данные измерений показывают, чхо к 20 мая 1968 года в озере устанавливается состояние гомотермии [20]. Эта дата была пришли за начало проведенных здесь расчетов. На­помним, что гидрологический год начинается с апреля, поэтому рас­четный год имеет сдвиг по сравнению с ним. Расчеты были начаты с состояния покоя и с равномерным распределением начальной темпера туры по озеру со значением, равным 2.3 градуса, в соот ветствии с дан­ными измерений температуры.

Дня численного анализа влияния сжимаемости воды на гидротер- мичсский режим Телецкого озера в его сезонной динамике были также приведены численные расчеты без учета сжимаемости (давление р * 0 в уравнении состояния воды, что соответствует атмосферному давле­нию) при идентичных входных данных. Результаты расчетов показы­вают (рисунок 9.26), что при пренебрежении сжимаемостью волы гну банные зоны озера в численном решении перемешиваются более ин­тенсивно, чем при ее учете. В этих зонах под изотермой 4 'С имеет ме­сто однородное распределение температуры со значением около 4 "С, согласно численному решению. Это связано с потерей устойчивости и возникновением турбулентной конвекции. Механизм проникающей *Урбуленттюй конвекции хорошо известен (см., например, [6J). Суть его заключается в возникновении турбулентности при гидростатической ^устойчивости. В модели этот механизм реализован через генерацию рбулен)т1ости за счет силы плавучести.

При учете сжимаемости воды (рисунок 9.2а) глубинные области еРа меньше подвергаются конвективному перемешиванию, связан­ному с потерей гидростатической устойчивости Хотя различие по гем- Рзтуре небольшое, качественно отличаются процессы турбулентного

обмена, что может привести к изменениям в процессах теплообмена и газообмена, п том числе переноса кислорода, в глубинных зонах озера.

Таким образом, результаты численных расчетов показывают, что для более точною и адекватного описания термического режима Те­лецкого озера и процессов турбулентного перемешивания в нем следу­ет учесть сжимаемость воды.

По данным наблюдений, характерными в поведении термического режима Телецкого озера являются возникновение фронтов термобара на его концах (на северо-западном и южном участках озера) и их про- движение к центральной части озера. Термический бар возникает в озе­ре дважды: весной в середине мая и осенью и начале ноября. Продол­жительность весенне-летнего термобара составляет почти два месяца, осеннего - около месяца. Термический бар как бы расчленяет озеро на две части, различающиеся по термическому режиму, химическому со­ставу и распределению живых орт-аниз.мов [20].

Возникновение указанных термобар обусловлено тем, что на кон­цах озера вода более прогрета, чем в его глубоководной центральной части, где в период развития термобар температура воды меньше 4 'С. На северо-западном конце озера вода быстрее прогревается из-за отно­сительно малой его глубины, а на южном сто конце - прогрев води происходил также за счет втекания более теплого стока реки Чулыш- ман. В зонах смешения теплых и холодных вод, где температура воды достигает температуры максимальной плотности 4 "С, развиваются : термогравитационные циркуляции с мощными нисходящими течения­ми (рисунок 9.3). Указанные циркуляции могут ш рать важную роль в функционировании экосистемы озера. Хотя скороеi и воды в них отно­сительно малы, из-за своей значительной продолжительности они мо­гут доставлять кислород в придонные зоны озера и выносить от гуда питательные вещества к водной поверхности. На термогравитанионные течения, сопровождающие термобар, накладываются стоковые течения, порождаемые стоками рек Бия и Чулышман, и ветровые течения.

Результаты расчетов обнаруживают перемещение фронтов весен­не-летнего термобара к центральной части озера с последующим их слиянием (рисунок 9.4 и рисунок 9.5). По данным наблюдений, "к 15 j июля фронт смыкается и озеро становится однородным" [20] в про­дольном направлении. По результатам численных расчетов, смыкание j фронтов термобара и наступление однородности озера по длине тЮ крайней мере в значительной части озера имеет место «гримерно с 13 — 15 июля.

11а рисунке 9.6 представлены продольно-вертикальные распре л с шит температуры (изотермы), характеризующие поведение термине

226

ского бара в период осеннего охлаждения озера. Фронты осеннего тер- Х(обара сначала возникают также в северо-западной и южной частях озера и затем перемешаются к сто центру.

На рисунке 9.7 приводится сопоставление вычисленных и изме­ренных профилей температуры на рейдовой вер ткали в центральной части озера (вертикаль JV» 26) для 20 июня, 20 июля, 20 августа, 20 сен­тября, 20 октября и 20 ноября (последовательно слева направо и сверху вниз). Согласно результатам расчетов, на 20 автуста значения темпера­туры воды в придонной зоне озера составляют 3.6 - 3.8 "С, а на 20 но­ября устанавливается равномерный вертикальный профиль температу­ры со значением около 4.0 "С, что соответствует данным измерений [7.0]. Па рисунке 9.8 - сопоставление вычисленных и измеренных про­филей температуры для разных рейдовых вертикалей, расположенных вдоль озера по ст о длине (см. рис.9.1) на 20 августа.

На рисунке 9.9 дано сопоставление данных измерений толщины льда в пункте измерения у пос. Яйлю [17] и результатов расчета. И на­конец. на рисунке 9.10 - распределение толщины льда вдоль озера в различные моменты времени.

Напомним, что скорость ветра при переходе с суши на озеро обычно возрастает. Метеоданные были измерены на суше, на берет оной станции Яйлю. В проведенных расчетах были приняты следующие зна­мения отношения скорости ветра над озером и над сушей: 1.18 в июне и июле, 1.36 и августе и 1.5 в сентябре [20]. Для остального периода года значение отношения скоростей ветра было принято равным 1.5. Это связано с тем, что имеющиеся средние мнотлетиие данные для ука­занного отношения в октябре - декабре составляют около 1.5 [20]. Кро­ме того, учитывали то, что воздействие ветра на термический режим озера и зимних условиях играет малую роль из-за наличия ледового покрова.

Проведенные дополнительные расчеты oct поправки ветра на пе­реход от суши к водоему и сопоставление с основными расчетами по­казали, что имеющееся в обоих расчетах отличие в термическом режи­ме озера находится в практически разумном интервале. Вместе с тем. Учет поправки ветра оказывает заметное влияние на поведение распре- леления толщины льда, делает его изменение по длине озера более главным и реалистичным.

Таким образом, результаты расчетов и их сопоставление с дан­ными измерений показывают, что математическая модель описывает ис«оьпые черты термического и ледового режима Телецкого озера.

227

 

^шщтттштттт

Р "/ГЫ-МИ1

 

-А.И    -I.U -.V —-е^ "tr-        4.V-,    -

1 ^ ...— ....

 

И Л1

            V.»)

'i 15( *

К ?.СЛ

2IV

JH

: V

-L1

 

 

i.i

3VV--

О         ЮСОО 20000 JOO00 '.СССС SfiOOO оООПЛ luU'JO

Длимо, к

Рисунок 9.2 - Вычисленные изотермы на 20 августа 1968 г. с уче­том сжимаемости воды (а) и без учета ее сжимаемости (б) (продольно- вертикальное сечение вдоль оси озера)

 

fr          VF«> ?267C 2a=£*) -8125 57750 у727Ь ~?«k>V

Длина, м

Рисунок 9.3 - Поля температуры и скорости течений в Тслецком озере (в продольно-вертикальном сечении по оси озера) на 20 июня 196К года. V - рейдовая вертикаль № 26

 

 

so-1

ЮР

« iiO

2SU-

зсЗ

 

 

 

 

p. 4,rM_wi i

л

J

n.         ...

riOOO 20000 iOCOO «0000 10000 500CC Д-'ЫМ П, и

F i-»

t.0

£ 1SC I

С 23a

Ж W

 

 

 

r

 

о          I.-) 300 2000C 30000 4000) 53000 63300 "iC'OCO

Длина, м

Рисунок 9.4 - Динамика продвижения фронтов весенне-летнего термобара: распределение температуры воды в Телецком озере на 5 и 8 июля 1968 г. (продольно-вертикальное сечение вдоль оси озера)

 

 

 

woeu 20000

3 ISC-.f

200

>ЛО

loooo гсозо

-т «т 40000

32300

Длимо, ы

oCSM

73000

Рисунок 9.5 - Динамика продвижения фронтов вссенне-лет. гермобара: распределение температуры воды в Теленком озере на 11 15 июля 1968 г. (продольно-вертикальное сечение вдоль оси озера)

70000

30000 40000 53000 6СССП Длин-, U

v. Чуг**имз*

 

1 ootw

<cono Лл1'"'9, М

50000 COuu;

Рисунок 9.6 - Динамика продвижения фронтон осеннего гермоба- Ра: распределение температуры воды в Телецком озере на 20 и 25 нояб­ря 1968 г

Температура. "С

а 1 г j 4

Температура. *С

Температура, "с

б 4 е 12

 

Температура, "С г •

Температура. "С

Я 2 4 ft

 

з ;,«4 ]

J :. - 1 " 1

£ t

••ri" 3 >v.

f

Ш

 

Температура. *C

1 'J з 4. —lJ . ! -h.J

1

Рисунок 9.7 - Сопоставление вычисленных (сплошные линий) и измеренных (квадратики) вертикальных профилей температуры в Те­ленком озере на 20.06.68, 20.07.68, 20.08.68, 20.09.68, 20.10.68 и 20.11.68 для рейдовой вертикали № 26 (последовательно слева направо и сверху вниз)

 

 

 

 

 

 

 

Температура. *С

d А 5 12 '6

_J III. 1-ljl IjfcL

-. ID

Температура. 'С

3

; w -

Температура. 'С

У Ч. НУ lb 1 il

Температура, *С

|? -1 В 17

ЬО 1Ш

>- if,;:

>7.0

3XV - G

Температура. 'С      Темпера-ура. 'С

£ Ч 9 1?          & 5 •-■ lv

г ■ llL-uj^, I

- я- е

-уЛ — /

Z

I i I

I 4 с

Iе Г:

2*г

1У>

]п

Рисунок 9.8 - Сопоставление вычисленных и измеренных верти­кальных профилей температуры в Телецком озере на 20.08.68 для рей­довых вертикалей Л» 22, № 24, №6, № 26, № 13 и № 27 (последователь­но слева направо и сверху вниз; см. рисунок 9.1)

 

Рисунок 9.9 - Изменение толщины льда во времени в Теленком озере около поселка Яйлю (вертикаль № 6). Сплошная линия - вычис­ленные значения толшины льда, кружки - данные наблюдений

 

Рисунок 9.10 - Распределения вычисленных значений толшннЫ льда по длине Телецкого озера (с севера на юг) на 20-ые числа ноября (XI), декабря (XII), января (I), февраля (II), марта (Ш), апреля (IV), ыа* (V), Сплошные линии относятся к четным месяцам, пунктирные - - нечетным.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я