Опыт применения БПЛА для оценки коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии на небольших водных объектах


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Небольшие озера и водохранилища, расположенные в зонах активного техногенеза, подвергаются риску различных аварийных ситуаций. Современные вычислительные технологии, включающие в себя гидродинамические расчетные модули, позволяют достаточно эффективно оценивать и прогнозировать их последствия с целью минимизации негативного воздействия. Эти модели требуют задания коэффициентов горизонтальной диффузии. Теоретический анализ этих процессов из-за их специфики весьма затруднен. В России и в других странах очень мало экспериментальных исследований, посвященных оценке этих коэффициентов даже в приближении их однородности и изотропности. Современные технологии измерений, связанные с использованием беспилотных летательных аппаратов, позволяют значительно упростить проведение таких исследований. Обсуждается актуальность таких работ, технология их выполнения и полученные результаты на примере Верхне-Зырянского водохранилища. На основе натурного эксперимента с запуском восьми поплавков получена средняя оценка коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии, равная 0.012 м2/с. Обсуждены особенности полученных результатов.

Об авторах

А. П. Лепихин

Пермский ФИЦ УрО РАН

Email: ljahin85@mail.ru
Россия, 614015, Пермь

Ю. С. Ляхин

Пермский ФИЦ УрО РАН

Email: ljahin85@mail.ru
Россия, 614015, Пермь

А. И. Лучников

Камский филиал “РосНИИВХ”

Автор, ответственный за переписку.
Email: ljahin85@mail.ru
Россия, 614002, Пермь

Список литературы

  1. Буторин Н.В., Литвинов А.С. Расчет коэффициентов турбулентного обмена в Рыбинском водохранилище // Тр. ин-та биологии внутрен. вод АН СССР. Борок, 1968. С. 250–258.
  2. Голицын Г.С. Коэффициент турбулентной диффузии примеси на водной поверхности в зависимости от стадии развития волнения // Изв. РАН ФАО. Т. 47. № 3. 2011. С. 426–432.
  3. Журбас В.М., Лыжков Д.А., Кузьмина Н.П. Оценка коэффициентов бокового перемещения по данным дрифтеров // Океанология. Т. 15. № 3. 2014. С. 309–317.
  4. Зарипов А.С., Лучников А.И. Исследование динамики разрушения берегов Камского и Воткинского водохранилищ в результате абразии по материалам аэрофотосъемки // Геориск. 2021. № 1. С. 58–66.
  5. Знаменский В.А. Гидрологические процессы и их роль в формировании качества воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 248 с.
  6. Китаев А.Б., Девяткова Т.П. Особенности турбулентного обмена вод в Камском и Воткинском водохранилищах и методы его оценки // Геогр. вестн. 2006. № 2. С. 67–75.
  7. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // ДАН СССР. Т. 30. № 4. 1941. С. 299–303.
  8. Лабзовский Н.А. Турбулентная диффузия в озерах // Изменчивость гидрофизических полей в озерах. Л.: Наука, 1978. С. 117–146.
  9. Лаврова О.Ю., Соловьев Д.М., Строчков А.Я., Назирова К.Р., Краюшкин Е.В., Жук Е.В. Использование мини-дрифтеров для проведения подспутниковых измерений параметров прибрежных течений // Исследование земли из космоса. 2019. № 5. С. 36–49.
  10. Лучников А.И., Ляхин Ю.С., Лепихин А.П. Опыт применения беспилотных летательных аппаратов для оценки состояния берегов поверхностных водных объектов // Вод. хоз-во России. 2018. № 1. С. 37–46.
  11. Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод // Под ред. А.В. Караушева. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 176 с.
  12. Озмидов Р.В. Экспериментальное исследование горизонтальной турбулентной диффузии в море и искусственном водоеме небольшой глубины // Изв. АН СССР. Сер. геофизическая. 1957. № 6. С. 756–764.
  13. Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 278 с.
  14. Окубо А., Озмидов Р.В. Эмпирические соотношения между коэффициентами горизонтальной диффузии и масштабом явления // Изв. АН СССР. ФАО. 1970. Т. 6. № 5. С. 534–536.
  15. Правила использования водных ресурсов Верхне-Зырянского и Нижне-Зырянского водохранилищ. Екатеринбург: РосНИИВХ, 2021. 75 с.
  16. Течения и диффузия вод Байкала // Тр. Лимнол. ин-та СО АН СССР. 1970. Т. 14/34. 214 с.
  17. Чечин Д.Г., Артамонов А.Ю., Бодунков Н.Е., Живоглотов Д.Н., Зайцева Д.В., Калягин М.Ю., Кузнецов Д.Д., Кунашук А.А., Шевченко А.М., Шестакова А.А. Опыт исследования турбулентной структуры атмосферного пограничного слоя с помощью беспилотного летательного аппарата // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 57. № 5. 2021. С. 602–610. https://doi.org/10.31857/S0002351521050047
  18. Шелехов А.П., Афанасьев А.Л., Шелехова Е.А., Кобзев А.А., Тельминов А.Е., Молчунов А.Н., Поплевина О.Н. Использование малоразмерных БПЛА для измерения турбулентности в атмосфере // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 5. С. 611–624. https://doi.org/10.31857/S0002351521050138
  19. Berger R.C., Tate J.N., Brown G.L., Savant G. Adaptive Hydraulics (AdH) Version 4.5. // Hydrodynamic User Manual. 2015.
  20. Delft 3D-Flow Simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomena, including sediments User Manual. Delft Deltares. 2011. 672 p.
  21. Imboden D.M., Wuest A. Mixing mechanisms in lakes, in Physics and Chemistry of Lakes / Eds A. Lerman, D. Imboden, J. Gat. New York: Springer-Yerlag, 1995. P. 83–138.
  22. Lyubimova T., Lepikhin A., Parshakova Y., Bogomolov A., Lyakhin Y., Tiunov A. Peculiarities of hydrodynamics of small surface water bodies in zones of active technogenesis (on the example of the Verkhne-Zyryansk reservoir, Russia) // Water. Switzerland. 2021. T. 13. № 12. https://doi.org/10.3390/w13121638
  23. Matsuzaki Y., Fujita I. Horizontal turbulent diffusion at sea surface for oil transport simulation // Coastal Management, Environment, and Risk. 2014. № 34. P. 1–10. https://doi.org/10.9753/icce.v34.management.8
  24. Matsuzaki Y., Fujita I. In situ estimates of horizontal turbulent diffusivity at the sea surface for oil transport simulation // Mar. Pollution Bull. 2017. V. 117. P. 34–40. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2016.10.026
  25. Okubo A. Some remarks on the importance of the “Shear effectˮ on horizontal Jusion // Oceanogr. 1968. №. 24. P. 60–69.
  26. Okubo A. Some speculation on oceanic diffusion diagrams. Rapp. P.-V. Reun. Cons. Int. Explor. Mer. 1974. V. 167. P. 77–85.
  27. Okubo A., Ebbesmeyer C.C. Determination of vorticity, divergence, and deformation rates from analysis of drogue observations // Deep Sea Res. Oceanogr. Abstr. 1976. V. 23. P. 349–352.
  28. Pal K.P., Murthy R., Thomson R.E. Lagrangian measurements in Lake Ontario // Lakes Res. 1998. V. 24. P. 681–697.
  29. Peeters F. Horizontale Mischung in Seen (Horizontal mixing in lakes) // Ph. D. Thesis. Zurich: Eidgenossische Technische Hochschule, 1994. 147 p.
  30. Peeters F., Wues A., Piepke G., Imbode D. Horizontal mixing in lakes // J. Geophys. Res. Oceans. 1996. V. 101. P. 361–375.
  31. Pinton J.F., Sawford B.L. Lagrangian view of turbulent dispersion and mixing. In Ten Chapters in Turbulence / Eds P.A. Davidson, Y. Kaneda, K.R. Sreenivasan. New York: Cambridge Univ. Press, 2012. P. 132–175.
  32. Reference Manual “River Flow 2D Two-Dimensional River Dynamics Modelˮ. Hydronia LLC. 2016. 21 p.
  33. Richardson L.F., Strommel H. Note on eddy diffusion in the Sea // J. Meteorol. 1948. V. 5. P. 238–240.
  34. Shaha D., Cho Y.K., Kwak M.T., Kundu S., Jung K. Spatial variation of the longitudinal dispersion coefficient in an estuary // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2011. V. 15. P. 3679–3688.
  35. Stocke R., Imberge J. Horizontal transport and dispersion in the surface layer of a medium-sized lake // Limnol. Oceanogr. 2003. V. 48 (3). P. 971–982.
  36. Strommel H. Horisotal diffusion due to oceanic turbulence // J. Marine Res. 1949. V. 8. № 3. P. 199–225.
  37. Suara K., Mardani N., Fairweather H., McCallum A., Allan C., Roy S., Brown R. Observation of the Dynamics and Horizontal Dispersion in a Shallow Intermittently Closed and Open Lake and Lagoon (ICOLL) // Water. 2018. V. 10 (6). 776. https://doi.org/10.3390/w10060776
  38. Suara K., Brown R., Borgas M. Eddy diffusivity: A single dispersion analysis of high resolution drifters in a tidal shallow estuary. Environ. // Fluid Mech. 2016. V. 16. P. 923–943.

Дополнительные файлы


© А.П. Лепихин, Ю.С. Ляхин, А.И. Лучников, 2023