Гидродинамические аспекты слияния рек с различными плотностями вод

Автор: Любимова Татьяна Петровна, Лепихин Анатолий Павлович, Паршакова Янина Николаевна, Колчанов Вадим Юрьевич, Gualtieri Carlo, Lane Stuart Nicholas, Roux Bernard

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 4 т.13, 2020 года.

Бесплатный доступ

Слияния рек характеризуются сложными внутриводоемными процессами. Возникающие при этом гидродинамические аспекты в последние годы стали предметом весьма пристального внимания. При моделировании, как правило, принимается, что плотности вод рассматриваемых рек близки, и связанными с различием плотностными эффектами пренебрегают. В таком приближении ранее авторами изучалось слияние рек Вишера и Кама. Однако в ряде случаев температуры или минерализации вод сливающихся рек могут существенно различаться и вызывать изменение гидродинамических механизмов объединения водотоков. В настоящей работе исследуются и сопоставляются особенности слияния рек с учетом и без учета плотностных эффектов, используются как реальная, так и упрощенная (модельная) геометрии русел. Выполненные расчеты показали, что при плотностном числе Фруда ~1 (это наблюдается во взятых в качестве примера реках при различии минерализаций вод ~0,3 г/л) принципиально меняется характер смешения водотоков при их воссоединении. Более плотные воды реки Вишера начинают подтекать под менее минерализованные воды реки Кама. При превышении числом Фруда критического значения происходит кардинальная перестройка когерентных поперечных структур. Данные эффекты более рельефно проявляются для модельной конфигурации русла, так как учет неоднородности дна существенно усиливает вертикальное перемешивание. Ранее явление подтекания более плотного потока под менее плотный наблюдалось и было описано авторами при анализе слияния находящихся в подпоре Камской ГЭС рек Чусовая и Сылва.

Еще

Слияние рек, плотностная стратификация, вычислительный эксперимент

Короткий адрес: https://sciup.org/143172503

IDR: 143172503   |   УДК: 532.5:556.18   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.3.29

Hydrodynamic aspects of river confluence with different water densities

The confluence of rivers is characterized by highly complex internal processes. The hydrodynamic aspects of river confluences have received a lot of attention in recent years. For modeling purposes, it is generally assumed that the water densities of the rivers under consideration are close, and the density effects associated with their difference are neglected. In this approximation, we have previously investigated the confluence of the Vishera and Kama rivers. However, in some cases, the temperatures or salinity of the waters of merging rivers can differ significantly, and thereby the hydrodynamic mechanisms of mixing change considerably. In this paper, we examine the specific features of river confluences with and without taking into account density effects and by comparing both real and simplified channel (river) geometries. Simulations show that, at the density Froude number ∼1 which is observed in the rivers under consideration at the difference in salt concentration ~0.3 g/L, the mixing characteristics of these flows significantly change when they merge. The denser waters of the Vishera river begin to move under the less mineralized waters of the Kama river. As the Froude number exceeds the critical value, a fundamental rearrangement of coherent transverse structures occurs. These effects are more pronounced for the simplified model channel configuration, since taking into account the bottom heterogeneity significantly enhances vertical mixing. Earlier, the phenomenon in which the denser flow moves under the less dense flow was discovered by the authors for the confluence of the Chusovaya and Sylva rivers located in the backwater from the Kama hydroelectric power station.

Еще

Список литературы Гидродинамические аспекты слияния рек с различными плотностями вод

  • Bouchez J., Lajeunesse E., Gaillardet J., France-Lanord C., Dutra-Maia P., Maurice L. Turbulent mixing in the Amazon River: The isotopic memory of confluences // Earth Planet. Sci. Lett. 2010. Vol. 290. P. 37-43.
  • Lane S.N., Parsons D.R., Best J.L., Orfeo O., Kostaschuk R.A., Hardy R.J. Causes of rapid mixing at a junction of two large rivers: Rio Parana and Rio Paraguay, Argentina // JGR: Earth Surface. 2008. Vol. 113. F02024.
  • Mackay J.R. Lateral mixing of the Liard and Mackenzie rivers downstream from their confluence // Canadian Journal of Earth Sciences. 1970. Vol. 7. P. 111-124.
  • Rathbun R.E., Rostad C.E. Lateral mixing in the Mississippi River below the confluence with the Ohio River // Water Resour. Res. 2004. Vol. 40. W05207.
  • Umar M., Rhoads B., Greenberg J.A. Use of multispectral satellite remote sensing to asses mixing of suspended sediment downstream of large river confluences // J. Hydrol. 2018. Vol. 556. P. 325-338.
  • Любимова Т.П., Лепихин А.П., Паршакова Я.Н., Гуалтьери К., Лэйн С., Ру Б. Влияние гидродинамических режимов на смешение вод сливающихся рек // Вычисл. мех. сплош. сред. 2018. Т. 11, № 3. С. 354-361.
  • Прандтль Л. Гидроаэромеханика. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2000. 576 с.
  • Lyubimova T., Lepikhin A., Konovalov V., Parshakova Ya., Tiunov A. Formation of the density currents in the zone of confluence of two rivers // J. Hydrol. 2014. Vol. 508. P. 328-342.
  • Лепихин А.П., Любимова Т.П., Возняк А.А., Паршакова Я.Н., Богомолов А.В., Ляхин Ю.С. Особенности регулирования качества воды при ее селективном заборе из водохранилищ // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2017. № 3. С. 56-68.
  • Brown G.L., Roshko A. On density effects and large structure in turbulent mixing layers // J. Fluid Mech. 1974. Vol. 64. P. 775-816.
  • Taira D.E., Schettini E.B. Silvestrini J.H. The influence of stratification and slope in mixing layers // Proc. of the 14th IUTAM ABCM Symposium on Laminar Turbulent Transition. Rio de Janeiro, Brazil, September 8-12, 2014. P. 536-542.
  • Cheng Z., Constantinescu G. Stratification effects on flow hydrodynamics and mixing at a confluence with a highly discordant bed and a relatively low velocity ratio // Water Resour. Res. 2018. Vol. 54. P. 4537-4562.
  • Cheng Z., Constantinescu G. Stratification effects on hydrodynamics and mixing at a river confluence with a discordant bed // Environ. Fluid Mech. 2020. Vol. 20. P. 843-872.
  • Horna-Munoz D., Constantinescu G., Rhoads B., Lewis Q., Sukhodolov A. Density effects at a concordant bed natural river confluence // Water Resour. Res. 2020. Vol. 56. e2019WR026217.
  • Лепихин А.П. К проблеме построения гидроморфометрических зависимостей для аллювиальных русел // Географический вестник. 2015. № 3(34). С. 115-125.
  • Launder B.E., Spalding D.B. Lectures in mathematical models of turbulence. London; New York: Academic Press, 1972. 169 p.
Еще