Морской гидрофизический журнал. 2024; 40: 469-488
Взмучивание донных осадков в мелководной лагуне течениями и волнами по данным численного моделирования (на примере залива Сиваш, Азовское море)
Аннотация
Цель. Исследована интенсивность взмучивания илистых донных осадков в заливе Восточный Сиваш (Азовское море) в период экстремального шторма и оценен вклад течений и ветрового волнения в процессы взмучивания.
Методы и результаты. Поля течений рассчитываются на основе трехмерной σ-координатной модели циркуляции вод типа POM, дополненной блоком взмучивания илистых осадков. Для расчета ветрового волнения используется спектральная модель SWAN. В обеих моделях применяется прямоугольная расчетная сетка с горизонтальным разрешением 300 м. В качестве форсинга используются данные атмосферного реанализа ERA-Interim, соответствующие экстремальной штормовой ситуации 10–13 ноября 2007 г. На основе проведенных расчетов в работе проанализирована структура полей волнения, течений, придонных сдвиговых напряжений и концентрации взвешенного вещества в Восточном Сиваше для разных фаз шторма. Предложена методика оценки чувствительности модели взмучивания к вариациям значений входных параметров.
Выводы. Используемая модель взмучивания наиболее чувствительна к вариациям значений параметров, определяющих интенсивность вертикального потока частиц ила со дна бассейна. В период максимального развития шторма на 80 % общей площади залива Восточный Сиваш создаются условия для формирования областей взмучивания. Если при моделировании не учитывается вклад волн, общая площадь взмучивания сокращается в четыре раза, что говорит об определяющем вкладе придонных волновых напряжений в формирование областей взмучивания донных осадков в заливе.
Список литературы
1. Совга Е. Е., Ерёмина Е. С., Дьяков Н. Н. Система экологического мониторинга залива Сиваш в современных условиях // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2018. № 2. C. 22–38. EDN YLLQKD. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2018-2-22-38
2. Совга Е. Е., Ерёмина Е. С., Хмара Т. В. Водный баланс залива Сиваш в условиях изменчивости природно-климатических и антропогенных факторов // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 1. С. 71–81. EDN YWNTSE. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2018-1-71-81
3. Фомин В. В., Полозок А. А. Особенности формирования речного плюма в мелководной лагуне (на примере залива Сиваш, Азовское море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2022. № 3. С. 28–42. EDN EZJTCH. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2022-3-28-41
4. Polozok A. A., Fomin V. V., Ivancha E. V. Numerical modeling of wind currents in the Sivash Gulf (Sea of Azov) // Processes in GeoMedia. Singapore : Springer, 2023. Vol. VII. P. 9–20. https://doi.org/10.1007/978-981-99-6575-5_2
5. Фомина И. Н., Фомин В. В., Полозок А. А. Ветровое волнение в заливе Сиваш по результатам численного моделирования // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. Ростов-на-Дону : Изд-во ЮНЦ РАН, 2022. Т. 1, вып. 7. С. 97–102. EDN OLXIHC. https://doi.org/10.23885/2500-395X-2022-1-7-97-102
6. Исследование полей концентрации взвеси на северо-западном шельфе Черного моря при взмучивании донных осадков движущимся циклоном / Д. В. Алексеев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2007. № 1. С. 3–20. EDN YOTXED.
7. Мартьянов С. Д., Рябченко В. А. Воспроизведение взмучивания и переноса донных осадков в Невской губе на основе трехмерной модели циркуляции // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. Т. 6, № 4. С. 32–43. EDN SCDDDP.
8. Совга Е. Е., Ерёмина Е. С., Латушкин А. А. Экспедиционные исследования, проведенные Морским гидрофизическим институтом в акватории залива Сиваш весной и осенью 2018 года // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 2. С. 176–185. EDN YMJORA. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-2-176-185
9. Ломакин П. Д. Особенности полей океанологических величин в заливе Сиваш (Азовское море) // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 6. С. 696–709. EDN WKCUAX. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-6-696-709
10. Booij N., Ris R. C., Holthuijsen L. H. A third-generation wave model for coastal regions: 1. Model description and validation // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1999. Vol. 104, iss. C4. P. 7649–7666. https://doi.org/10.1029/98JC02622
11. Иванов В. А., Фомин В. В. Математическое моделирование динамических процессов в зоне море – суша. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2008. 363 с.
12. Blumberg A. F., Mellor G. L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model // Three-Dimensional Coastal Ocean Models. Washington, DC : Wiley, 1987. P. 1–16.
13. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations: I. The basic experiment // Monthly Weather Review. 1963. Vol. 91, iss. 3. P. 99–164. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1963)091<0099:GCEWTP>2.3.CO;2
14. Burchard H., Bolding K., Villarreal M. Three-dimensional modelling of estuarine turbidity maxima in a tidal estuary // Ocean Dynamics. 2004. Vol. 54, iss. 2. P. 250–265. https://doi.org/10.1007/s10236-003-0073-4
15. Yang Z., Hamrick J. M. Variational inverse parameter estimation in a cohesive sediment transport model: An adjoint approach // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C2. 3055. https://doi.org/10.1029/2002jc001423
16. Van Rijn L. C. Unified view of sediment transport by currents and waves. II: Suspended transport // Journal of Hydraulic Engineering. 2007. Vol. 133, iss. 6. P. 668–689. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2007)133:6(668)
17. Kuhrts C., Fennel W., Seifert T. Model studies of transport of sedimentary material in the western Baltic // Journal of Marine Systems. 2004. Vol. 52, iss. 1–4. P. 167–190. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2004.03.005
18. Определение концентрации взвешенного вещества в Черном море по данным спутника MODIS / Д. А. Кременчуцкий [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ- Гидрофизика, 2014. Вып. 29. С. 5–9. EDN UXWYMX.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2024; 40: 469-488
Resuspension of Bottom Sediments in a Shallow Lagoon by Currents and Waves Based on the Numerical Modeling Data (Using the Example of Sivash Bay, the Sea of Azov)
Abstract
Purpose. The work is purposed at studying the intensity of resuspension of silty bottom sediments in Eastern Sivash Bay (the Sea of Azov) during an extreme storm, as well as at assessing the contribution of currents and wind waves to the resuspension processes.
Methods and Results. The current fields are calculated using a three-dimensional σ-coordinate water circulation model of the POM type supplemented with a block of silty sediments resuspension. The SWAN spectral model is applied to calculate wind waves. In both models a rectangular computational grid with the horizontal resolution 300 m is involved. The ERA-Interim atmospheric reanalysis data corresponding to the extreme storm situation in November 10–13, 2007 are used as a forcing. The performed calculations constituted a base for analyzing the structure of the fields of waves, currents, bottom shear stresses and suspended matter concentration in Eastern Sivash for different phases of the storm. A technique for assessing the resuspension model sensitivity to the variations in the input parameter values is proposed.
Conclusions. The applied resuspension model is most sensitive to the variations in the parameter values that condition intensity of the silt particles vertical flow from the basin bottom. During the period of the storm maximum development, conditions for forming resuspension zones arise on 80 % of the total area of Eastern Sivash Bay. If, while modeling, the contribution of the waves is not taken into account, the total area of resuspension is reduced by four times. This fact testifies to a decisive contribution of the bottom wave stresses in formation of the resuspension zones in bottom sediments in the bay.
References
1. Sovga E. E., Eremina E. S., D'yakov N. N. Sistema ekologicheskogo monitoringa zaliva Sivash v sovremennykh usloviyakh // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2018. № 2. C. 22–38. EDN YLLQKD. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2018-2-22-38
2. Sovga E. E., Eremina E. S., Khmara T. V. Vodnyi balans zaliva Sivash v usloviyakh izmenchivosti prirodno-klimaticheskikh i antropogennykh faktorov // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2018. T. 34, № 1. S. 71–81. EDN YWNTSE. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2018-1-71-81
3. Fomin V. V., Polozok A. A. Osobennosti formirovaniya rechnogo plyuma v melkovodnoi lagune (na primere zaliva Sivash, Azovskoe more) // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2022. № 3. S. 28–42. EDN EZJTCH. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2022-3-28-41
4. Polozok A. A., Fomin V. V., Ivancha E. V. Numerical modeling of wind currents in the Sivash Gulf (Sea of Azov) // Processes in GeoMedia. Singapore : Springer, 2023. Vol. VII. P. 9–20. https://doi.org/10.1007/978-981-99-6575-5_2
5. Fomina I. N., Fomin V. V., Polozok A. A. Vetrovoe volnenie v zalive Sivash po rezul'tatam chislennogo modelirovaniya // Ekologiya. Ekonomika. Informatika. Seriya: Sistemnyi analiz i modelirovanie ekonomicheskikh i ekologicheskikh sistem. Rostov-na-Donu : Izd-vo YuNTs RAN, 2022. T. 1, vyp. 7. S. 97–102. EDN OLXIHC. https://doi.org/10.23885/2500-395X-2022-1-7-97-102
6. Issledovanie polei kontsentratsii vzvesi na severo-zapadnom shel'fe Chernogo morya pri vzmuchivanii donnykh osadkov dvizhushchimsya tsiklonom / D. V. Alekseev [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2007. № 1. S. 3–20. EDN YOTXED.
7. Mart'yanov S. D., Ryabchenko V. A. Vosproizvedenie vzmuchivaniya i perenosa donnykh osadkov v Nevskoi gube na osnove trekhmernoi modeli tsirkulyatsii // Fundamental'naya i prikladnaya gidrofizika. 2013. T. 6, № 4. S. 32–43. EDN SCDDDP.
8. Sovga E. E., Eremina E. S., Latushkin A. A. Ekspeditsionnye issledovaniya, provedennye Morskim gidrofizicheskim institutom v akvatorii zaliva Sivash vesnoi i osen'yu 2018 goda // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2020. T. 36, № 2. S. 176–185. EDN YMJORA. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-2-176-185
9. Lomakin P. D. Osobennosti polei okeanologicheskikh velichin v zalive Sivash (Azovskoe more) // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2021. T. 37, № 6. S. 696–709. EDN WKCUAX. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-6-696-709
10. Booij N., Ris R. C., Holthuijsen L. H. A third-generation wave model for coastal regions: 1. Model description and validation // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1999. Vol. 104, iss. C4. P. 7649–7666. https://doi.org/10.1029/98JC02622
11. Ivanov V. A., Fomin V. V. Matematicheskoe modelirovanie dinamicheskikh protsessov v zone more – susha. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2008. 363 s.
12. Blumberg A. F., Mellor G. L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model // Three-Dimensional Coastal Ocean Models. Washington, DC : Wiley, 1987. P. 1–16.
13. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations: I. The basic experiment // Monthly Weather Review. 1963. Vol. 91, iss. 3. P. 99–164. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1963)091<0099:GCEWTP>2.3.CO;2
14. Burchard H., Bolding K., Villarreal M. Three-dimensional modelling of estuarine turbidity maxima in a tidal estuary // Ocean Dynamics. 2004. Vol. 54, iss. 2. P. 250–265. https://doi.org/10.1007/s10236-003-0073-4
15. Yang Z., Hamrick J. M. Variational inverse parameter estimation in a cohesive sediment transport model: An adjoint approach // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C2. 3055. https://doi.org/10.1029/2002jc001423
16. Van Rijn L. C. Unified view of sediment transport by currents and waves. II: Suspended transport // Journal of Hydraulic Engineering. 2007. Vol. 133, iss. 6. P. 668–689. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2007)133:6(668)
17. Kuhrts C., Fennel W., Seifert T. Model studies of transport of sedimentary material in the western Baltic // Journal of Marine Systems. 2004. Vol. 52, iss. 1–4. P. 167–190. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2004.03.005
18. Opredelenie kontsentratsii vzveshennogo veshchestva v Chernom more po dannym sputnika MODIS / D. A. Kremenchutskii [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : EKOSI- Gidrofizika, 2014. Vyp. 29. S. 5–9. EDN UXWYMX.
