Численное моделирование изменения рельефа дна водоема при наличии гравитационных волн

Автор: Сухинов Александр Иванович, Холодков Валентин Владимирович, Проценко Елена Анатольевна, Проценко Софья Владимировна, Панасенко Наталья Дмитриевна

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 4 т.16, 2023 года.

Бесплатный доступ

Обсуждаются вопросы построения и адаптации к переменным природно-климатическим условиям и географическим особенностям прецизионных математических моделей гидродинамики волновых процессов и рельефообразования. Для новых по постановкам задач, рассматриваемых в статье, характерна проблема неполноты исходной информации, которая разрешается за счет привлечения данных дистанционного зондирования и кадастровой съемки. Вследствие этого комплекс созданных авторами алгоритмов включает растровые модели динамически изменяющегося рельефа дна с учетом результатов кадастровых съемок, дистанционного зондирования и результатов численного моделирования. При этом математическая модель транспорта донных материалов позволяет предсказывать динамику рельефа дна вследствие движения воды и многокомпонентных твердых частиц, учитывает пористость грунта, критическое значение касательного напряжения, при котором начинается перемещение наносов, турбулентный обмен, трансформацию геометрии дна, ветровые течения и трение о дно. С использованием программ, разработанных на основе комплекса алгоритмов, выполнены прогностические расчеты процессов эрозии берега и перестроения рельефа дна. Программы дают возможность задавать сложную геометрию дна в виде растровой модели, отвечающей сведениям кадастровых съемок и дистанционного зондирования, виду и характеристикам источника колебаний воды, направлению и скорости ветра. При анализе состояния водного объекта в целом принимаются во внимание характерные особенности природных процессов, одну из которых стоит отметить особо - это пространственно-временная изменчивость донного рельефа. Моделирование транспорта наносов показало, что с течением времени происходит их образование вблизи береговой зоны и, как следствие, уменьшение уклона ее дна и постепенное обмеление водоема.

Еще

Математическое моделирование, мелководный водоем, дистанционное зондирование, кадастровая съемка, рельефообразование дна, растровая модель, прогностические расчеты

Короткий адрес: https://sciup.org/143180966

IDR: 143180966   |   УДК: 519.6   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.4.38

Numerical modeling of changes in the bottom relief of the reservoir in the presence of gravitational waves

The issues concerning the construction of precision mathematical models of hydrodynamics of wave processes and relief formation and their adaptation to variable climatic conditions and geographical features are discussed. The incompleteness of initial information is characteristic of the new problems considered in the paper, and this difficulty is overcome by using the remote sensing and cadastral survey data. The complex of algorithms created by the authors includes raster models of a dynamically changing bottom relief that are based on the results of cadastral surveys, remote sensing data and numerical simulation results. The mathematical model of transport of bottom materials makes it possible to predict the bottom relief dynamics due to the movement of water and multicomponent solid particles and to take into account soil porosity, critical shear stress values at which sediment movement begins, turbulent exchange, bottom geometry transformation, wind currents, and bottom friction. The programs developed on the basis of a set of algorithms are used to perform predictive calculations of the processes of coastal erosion and reconstruction of the bottom relief. Using the programs, the complex geometry of the reservoir bottom is represented by a raster model that takes into account the data of cadastral surveys and remote sensing, the type and characteristics of the source of water fluctuations, and the direction and speed of wind. When analyzing the state of a water body as a whole, the characteristic features of natural processes, in particular, the spatial and temporal variability of the bottom relief, are considered. Modeling the transport of sediments has shown that, in the course of time, they are formed near the coastal zone, which leads to a decrease in the slope of its bottom and a gradual shallowing of the reservoir.

Еще

Список литературы Численное моделирование изменения рельефа дна водоема при наличии гравитационных волн

  • Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Проценко Е.А., Сидорякина В.В., Проценко С.В. Комплекс объединенных моделей транспорта наносов и взвесей с учетом трехмерных гидродинамических процессов в прибрежной зоне // Матем. моделирование. 2020. Т. 32, № 2. С. 3-23. https://doi.org/10.20948/mm-2020-02-01
  • Alekseenko Е., Roux B., Sukhinov А., Kotarba R., Fougere D. Nonlinear hydrodynamics in a Mediterranean lagoon // Nonlin. Processes Geophys. 2013. Vol. 20. P. 189-198. https://doi.org/10.5194/npg-20-189-2013
  • Chamecki M., Chor T., Yang D., Meneveau C. Material transport in the ocean mixed layer: Recent developments enabled by large eddy simulations // Rev. Geophys. 2019. Vol. 57. P. 1338-1371. https://doi.org/10.1029/2019RG000655
  • DiBenedetto M.H., Ouellette N.T., Koseff J.R. Transport of anisotropic particles under waves // J. Fluid Mech. 2018. Vol. 837. P. 320-340. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.853
  • Onink V., Wichmann D., Delandmeter P., Van Sebille E. The role of Ekman currents, geostrophy and Stokes drift in the accumulation of floating microplastic // J. Geophys. Res. Oceans. 2019. Vol. 124. P. 1474-1490. https://doi.org/10.1029/2018JC014547
  • Panasenko N.D., Poluyan A.Yu., Motuz N.S. Algorithm for monitoring the plankton population dynamics based on satellite sensing data // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 2131. 032052. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2131/3/032052
  • Poulain M., Mercier M.J., Brach L., Martignac M., Routaboul C., Perez E., Desjean M.C., ter Halle A. Small microplastics as a main contributor to plastic mass balance in the North Atlantic subtropical gyre // Environ. Sci. Technol. 2019. Vol. 53. P. 1157 1164. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b05458
  • Prata J.C., da Costa J.P., Duarte A.C., Rocha-Santos T. Methods for sampling and detection of microplastics in water and sediment: A critical review // Trends Anal. Chem. 2019. Vol. 110. P. 150-159. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.10.029
  • Protsenko S., Sukhinova T. Mathematical modeling of wave processes and transport of bottom materials in coastal water areas taking into account coastal structures // MATEC Web Conf. 2017. Vol. 132. 04002. https://doi.org/10.1051/matecconf/201713204002
  • Smit P.B., Janssen T.T., Herbers T.H.C. Nonlinear wave kinematics near the ocean surface // J. Phys. Oceanogr. 2017. Vol. 47. P. 1657-1673. https://doi.org/10.1175/JPO-D-16-0281.1
  • Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Проценко Е.А. Математическое моделирование транспорта наносов в прибрежной зоне мелководных водоемов // Матем. моделирование. 2013. Т. 25, № 12. С. 65-82. (English version https://doi.org/10.1134/S2070048214040097)
  • The official website of NASA Worldview https://worldview.earthdata.nasa.gov/
  • The official website of Roscosmos Geoportal https://www.gptl.ru/
  • The official website of Earth observing system https://eos.com/landviewer/
  • The official website of MapInfo https://mapbasic.ru/msk61
  • The official website of Golden Software Support https://support.goldensoftware.com
Еще