TY  - JOUR
T1  - Численное моделирование распространения пассивной примеси в заливах Белого моря
AU  - Толстиков, А. В.
AU  - Чернов, И. А.
Y1  - 2023-04-11
UR  - https://rep.herzen.spb.ru/publication/942
N2  - Введение Исследование переноса примесей различной природы в море с помощью трехмерного численного моделирования важно для прогнозирования последствий разливов нефти, утечки радиоактивных веществ из могильников, выяснения путей распространения загрязнителей другого происхождения. Моделирование переноса вещества из устьев крупных рек, впадающих в Белое море, проводилось с целью выделения участков акватории, подверженных наибольшему воздействию загрязнителей, поступающих с водосбора. Рабочая гипотеза заключалась в том, что время нахождения загрязнителей в Белом море будет зависеть от морфометрических особенностей района и устойчивости фронтальных зон, которые в свою очередь подвержены внутригодовой изменчивости. Одними из самых уязвимых районов для загрязнителей являются крупные порты Белого моря: Архангельск, Онега, Кандалакша, Беломорск, Кемь, Мезень. Поэтому для разработки алгоритмов действий в чрезвычайных ситуациях, при опасности развития экологических катастроф важно иметь сценарии перемещения загрязнителей из портов при различных условиях (в зависимости от структуры загрязнителя, его концентрации, сезона года, направлении ветра и т.д.). Программный комплекс JASMINE [1] позволяет моделировать распространение различных видов примеси: плавучей, то есть сосредоточенной на поверхности моря и переносимой горизонтальными течениями по той же схеме, что и поля, описывающие морской лед, трехмерной с нулевой плавучестью (аналогичной, например, солености), тонущей (обладающей вертикальной скоростью относительно воды - сюда относятся органические 110 останки (детрит), с заданной плотностью (такая примесь может тонуть в менее плотной воде и всплывать в более плотной). Цель работы: с помощью численного моделирования определить сроки и концентрации загрязняющих веществ в Белом море при их поступлении с водосбора с речным стоком. Регион исследований, объекты и методы Объектом исследования является поверхностный слой Белого моря, предметом - распространение примеси от устьев крупных рек в заливах моря. Результаты экспериментов помогают проследить миграцию веществ в заливах Белого моря (рис. 1) и открытых участках акватории. Рис. 1. Берега и районы Белого моря. Модельный комплекс JASMINE, основанный на конечно-элементной модели Северного Ледовитого океана FEMAO [2], описан в работах [1, 7]. Он позволяет воспроизводить поля течений, температуры и солености, различных характеристик морского льда. Рабочее разрешение для Белого моря улучшено (по сравнению с упомянутыми работами) до 3 км по горизонтали (море вписано в квадрат 200 на 200 точек), сетки по вертикали насчитывают 40 горизонтов Ill (используется z-координата и свободная поверхность моря). Шаг по вертикальной оси 5 м, на глубинах более 150 метров шаг составляет 10 м. Реки описаны как пресноводные проливы с заданным среднемесячным потоком воды и в них задается температура воды и концентрации пассивной примеси. Используются данные по рекам водосбора Белого моря из базы [4]. Модельный комплекс JASMINE удовлетворительно воспроизводит динамику и биогеохимические процессы в Белом море, температурные и соленостные поля, фронтальные зоны согласуются с данными измерений [3]. Все модельные данные верифицируются по материалам многолетних исследований Белого моря ИВПС КарНЦ РАН и содержатся в [3, 4]. Результаты и обсуждение С помощью численного моделирования на программном комплексе JASMINE был рассмотрен модельный сценарий одновременного поступления загрязнителей из устьев рек: Северная Двина, Онега, Мезень, Кемь и Ковда (рис. 1). Моделирование проводилось на произвольно взятый период 2015-2017 гг., начиная с 1 января 2015 г., с целью отследить внутригодовую динамику. Исследовалась модельная двухмерная и трехмерная примесь, распространяющаяся по поверхности Белого моря. Различные пассивные примеси изначально были сосредоточены в одном узле сетки (отвечающем устью реки) каждая. Размерность концентрации не влияет на динамику, поэтому играет роль только относительное ее изменение. Начальная концентрация выбрана 100 единиц на 1 м2. Под очисткой района от примеси подразумевалось снижение концентрации в 20 и более раз (до 5 ед. на 1 м2 и менее). Расчет динамики концентрации этих полей на срок несколько десятков месяцев выявил следующие процессы. Самый опасный район по накоплению вещества - Онежский залив. Вещество, поступающее сюда либо с водосбора с течением р. Онега либо проникающее через проливы Соловецкие салмы удерживается здесь длительное время (несколько месяцев). Из Двинского залива загрязняющие вещества наоборот удаляются достаточно быстро вдоль восточного берега (1-2 месяца). В Кандалакшском заливе водообмен также происходит быстро (1 месяц). В Мезенском заливе этот период аналогично составляет около 1-2 месяцев, однако, учитывая небольшое расстояние от устья р. Мезень до Воронки (около 100 км), все-таки вещество покидает этот залив долго. Полученные данные распространения модельного вещества согласуются с результатами работ [5, 6], в которых выделены районы экологического воздействия на акваторию Белого моря. Актуальной представляется задача определения путей обмена веществом между районами моря. Для этого были рассчитаны сроки и концентрации веществ во всех заливах Белого моря при распространении пассивной плавучей примеси, изначально сосредоточенной в одном узле сетки. Рассчитывалась динамика относительной концентрации. 112 Рис. 4. Слева: Относительная поверхностная концентрация плавучей примеси, средняя по акватории залива, в зависимости от времени (сутки), для Мезенского, Двинского, Онежского и Кандалакшского заливов. Справа: поверхностная концентрация плавучей примеси, средняя по акватории одного залива относительно начальной концентрации, средней по акватории другого залива; показывает перенос примеси из залива в залив: Из Двинского в Мезенский, из Онежского в Двинский и Мезенский, из Двинского в Онежский. Значительная доля вещества, ожидаемо, перетекает из Двинского залива в Мезенский, а из Онежского - в Двинский, и далее в Мезенский. Обратный перенос (из Двинского в Онежский) выражен значительно слабее, а обмен между другими заливами вообще практически отсутствует. Также графики демонстрируют, что вещество в Онежском заливе удерживается дольше всего. Интересно, что эффект гидрологической ловушки, когда веществу легче попасть в Онежский и Мезенский заливы, чем покинуть их, позволяет загрязнителю удерживаться дольше 100 сут. в пределах своего района моря и лишь затем относительно быстро распространиться в направлении против часовой стрелки. Для Кандалакшского залива, где свободному водообмену с Бассейном ничто не препятствует, подобных процессов не наблюдается. Вещество быстро покидает район загрязнения. Выводы Выполнен расчет переноса примеси различной природы и показаны наиболее опасные районы по накоплению загрязняющих веществ, пути и сроки их перемещения в крупных заливах Белого моря и в целом по всему морю. Подтвердилась гипотеза о влиянии морфометрических особенностей района моря и фронтальных зон. Так, благодаря этим особенностям вещество удерживается в южной части Онежского и Мезенского залива; быстро разбавляется и покидает Кандалакшский залив; в Двинском заливе может возвращаться после выхода из этого района благодаря отсутствию препятствий. 113 Наиболее опасный район по накоплению вещества - Онежский залив. Вещество, поступающее с течением р. Онега, либо проникающее через проливы Соловецкие салмы удерживается здесь недели и месяцы. В Кандалакшском заливе водообмен с Бассейном происходит быстро (1 месяц). Из Двинского залива загрязняющие вещества удаляются достаточно быстро вдоль восточного берега (1-2 месяца). В Мезенском заливе этот период аналогично составляет около 1-2 месяцев, но, учитывая небольшое расстояние от устье р. Мезень до Воронки стоит отметить, что вещество покидает этот залив достаточно долго.