Теплофизические и био-теплофизические особенности процесса формирования ледово-термического режима озер тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, доктор физико-математических наук Шишкаев, Станислав Михайлович

• Шишкаев, Станислав Михайлович
• доктор физико-математических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Шишкаев, Станислав Михайлович

Введение. (Задачи, метод исследования, некоторые результаты).

Глава I. Теплофизика большого глубокого озера на примере озера Севан). . ^

1.1. О проблеме озера Севан и возможном пути ее решения. . |Т

1.2. Методические подходы к практическому расчету термического режима водоемов.

1.3. Расчет годового хода коэффициента эффективной температуропроводности (турбулентного обмена) в Большом Севане. . . . . •

1.3.1. ©б исходных данных к числовому расчету.

1.3.2. Методика определения коэффициента эффективной температуропроводности водной массы.

1.3.3. Математическая постановка задачи. . ЗЕ

1.3.4. Расчет коэффициента эффективной температуропроводности для периода осенне-зимнего охлэдения Большого Севана

1.3.5. Расчет коэффициента эффективной температуропроводности для периода весенне-летнего нагревания

Большого Севана . . . кВ

1.4. Теплофизика замерзания большого глубокого озера.

1.4.1. Исходные данные к расчету замерзания Большого Севана

1.4.2. Результаты расчета ледово-термического режима озера Севан и их обсуждение

1,4.3. Влияние уровня вода в озере Севан на его

1.5. Расчет критических условий замерзания глубокого озера (на примере озера Севан)

Глава I. Теплофизика (биологически инертного) слоя донных отложений большого мелководного озера . . 712.1. О соотношении между эксжерименталышм и расчетным подходами ж определению теплофизичес-ких характеристик грунта.?

2.2. Обоснование, математическая формулировка, аналитическое реиение теплофизической модели (биологически инертного) слоя грунта

2.3. Расчет обратной и прямой задач.

2.4. Обсуждение результатов расчета ж особенностей теллопереноса в донных отложениях.

Глава I. Теплофизика большого мелководного озера

3.1. Методический подход к исследованию ••••••

3.2. Формулировка сопряженной теплофизической модели и ее аналитическое решение.

3.3. Исходные данные к числовому расчету замерзания озера Кубенского

Результаты предварительного анализа.

3.4. Анализ результатов расчета сопряженной теилофизической модели применительно к исследованию ледово-термического режима большого мел

3.4.1. Влияние уровня внешней теплоотдачи на время замерзания водоема .^

- Ч

3.4.2. Влияние теплопроводных свойств грунта на время замерзания.

3.4.3. Оценка теплообмена с донными отложениями на формирование ледово-термического режима.

3.4.4. Обсуждение результатов. .т

Глава 1У. Био-теплофизика (биологически активного) слоя донных отложений большого мелководного озера.,.

4.1, Ьио-теплофизические предпосылки.---- .т

4.2, Формулировка био-теплофизической модели (биологически активного ) слоя грунта.

4.3, Исходные данные к числовому расчету.

4.3.1, Начальное и граничные условия. .м

4.3.2. Оценка тепловыделения от биологического источника. т

4.4, Результаты числового расчета био-теплофизической модели слоя донных отложений и их обсуждение.

Глава У. Био-теплофизика большого мелководного озера

С на примере озера Кубенского). .Д

5.1, Формулировка сопряженной био-теплофизической модели

5.2. Аналитическое решение,.

5.3. Базовые исходные данные к расчету ледово-термического режима большого мелководного озера.№

5.4, Основные результаты расчета био-теплофизической модели водоема и их обсуждение.

5.5, Интегральная оценка влияния теплового источника биологической природы./У

5.6. «Экспериментальное определение интенсивности тепловыделения от биологического источника в лабораторных условиях.

Глава УХ. Био-теплофизика механизма самоочищения мелководного водоема от продуцируемого органического вещества.

6.1. Качественный анализ.

6.1.1. О роли донных отложений в процессе самоочищения водоема. «У «

6Д.2, элементы микробиологии и биохимии анаэробного брожения и их приложение к качественному анализу

6.2. Количественный анализ.

6.3. Биологически активный слой донных отложений и его значение для устойчивости экосистемы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплофизические и био-теплофизические особенности процесса формирования ледово-термического режима озер»

результаты).

Природный водоем представляет собой сложную экосистему, устойчивость и характер функционирования которой во многом определяются термическим режимом, фориирущимея как в результате тепло-массообмена водоема с атмосферой, так я в зависимости от процессов, протекающих внутри саной- сопряженной системы вода-донные отложения«

На примерах конкретных водоемов различного типа (озеро Севан ж озеро Кубенское) с использованием конкретных данных в работе исследован механизм формирования термического режима глубокого и мелководного озер. При этом значительное внимание уделено анализу периода осенне-зимнего охлаздения,. заканчивающегося замерзанием водоемов,

Рассмотрение такого рода кризисных ретшшв теплоотдачи позволили, в конечном итоге, выявить и количественно сопоставить влияние определявдих факторов на термический режим водоемов. В этой связи обосновывается,новое научное направление, в развитие которого оценивается и учитывается влияние биологического тепловыделения, сопровождающего деструкцию биомассы в донных отложениях, на механизм рассматриваемых процессов. Б отношении выбора метода исследования необходимо отметить следующее. Детерминированный расчет нестационарного теплообмена в водоемах является достаточно сложной задачей, затрудненной слабой изученностью как самого процесса, так и характеристик тепломассообмена в водной тассе и, особенно, в донных отложениях.

С другой стороны, известно, что для многих весьма сложных и, вообще говоря, совершенно различных, на первый взгляд, по своей природе процессов, тепловая стадия, т.е. стадия нагрева шш охлаждения, является лимитирующей. Например, это относится к таким, казалось бы различным процессам, как замерзание водоема ж тепловой взрыв (зажигание) конденсированных взрывчатых веществ» Оказывается, однако, что эти два различных'явления близки но динамике- своего развития ж описываются одинаковыми тепловыми математическими моделями*

Учитывая лщдаирувджй характер тепловой стадии в общей скорости развития сложных, и, как правило, комплексных по своей природе ж многостадийных по механизму протекания процессов, вместо математической модели в общей (детальной) постановке во многих случаях появляется возможность формулировать более простую в математическом отношении (физически обоснованную) тепловую математическую модель, содержащую только уравнения и условия переноса теплоты, Д37-146/.

Математический анализ и расчет тепловой модели существенно облегчаются, если удается для случаев турбулентно движущихся потоков использовать так называемую твердофазную тепловую математическую модель с элективными (суммарными по всем возможным механизмам) характеристиками тешюпереноса. Практически это означает, что молекулярные значения коэффициентов тем-пературо- и теплопроводности, входящие в дифференциальные уравнения теплопроводности и граничные условия, заменяются на их эффективные значения с учетом интегрального влияния всех происходящих в системе процессов.

Корректность ж границы применимости такой тепловой математической модели определяются методикой расчета эффективных характеристик теплопереноса,

Использование в работе достаточно простого в математическом отношении методического подхода к формулировке математических моделей с применением эффективных характеристик тепло-переноса представляется оправданным, так как при решении поставленных задач возникает необходимость в определении именно результирующего профиля температуры на выбранных вертикалях в водной массе и (или) донных отложениях. Последний определялся в общем случае в; следующем порядке ¿ 78, 81-83

• На первом этапе, по существу из решения обратной задачи теплообмена, определяются эффективные характеристики теплопе-реноса на основе использования данных натурннх измерений температуры , например, за многолетний (щюдадащй) период. 1а следующем этапе решается (аналитически или числовым методом) прямая задача во определению нестационарного температурного поля в водно! массе и (или) дондах отложениях водоема в требуемые (доследующие) периода времени.

В совокупности с полученными аналитическими решениями, в первую очередь дж сопряженных задач вода - донже отложения (Глава Ш, I"), указанный интегральный подход позволил создать сравнительно простую методику, пригодную для инженерного прогностического расчета нестационарных температурных полей в водной массе и донных отложениях, в том числе в процессе замерзания водоема / 7?

В Главе 1 на основе сформулированной теплофизической модели с эффективными характеристиками теплопереноса исследуется механизм формирования ледово-термического режима глубокого озера, в том числе с целью выяснения относительного влияния на этот процесс таких факторов, как глубина озера и температура воздуха в зимний период.

Исследования проведены для прогноза ледово-термического режима озера Севан в связи с планировавшимися мероприятия!® по подъему его уровня. В результате сравнения рассчитанных и фактических дат замерзания озера Севан за несколько произвольно взятых сезонов прошедших лет (1974, 1975, 1980, 1981, 1982 я 1983 гг.) установлено, что принятый методический подход к расчету термического режима водоема позволяет уверенно определить наличие или отсутствие условий для замерзания озера. При этом в большинстве случаев удовлетворительно сходятся (различие обычно в пределах декады) рассчитанные и фактические даты замерзания,

В результате расчетов получено, что в условиях малосуровой зимы влияние глубины на время замерзания озера проявляется сильнее, чем при низкой температур© воздуха в суровую зиму. Показано, что граница мезду понятиями "суровая" и "ш-лосуровая" зима до температуре воздуха достаточно четкая, даже при использовании средней зимней температуры для интерпретации данных, Введено понятие и для озера Севан, приближенно рассчитано предельное (критическое) значение температуры воздуха над акваторией в зимнее время, при превышении которого температура поверхности воды в озере не сможет понизиться до 0°С и, таким образом, условие замерзания не будет достигнуто. Результаты расчета теплофиздческои модели глубокого озера показали, что повышение уровня воды в озере Севан на величину до 6 м сделает озеро незамерзающим в основные зимние месяцы (I, II) в случае, если температура воздуха в эти месяцы не будет значительно отличаться в сторону меньших значений по сравнению с найденным предельным (критическим) значением этой величины.

В.Главе.2 с целью последующей, формулировки .теилофизяческих (без учета биологического тепловыделения в донных отложениях) и био-теплофизических (с учетом биологического тепловыделения) моделей мелководного водоема обоснована физико-математическая постановка задачи, которая решена аналитически для биологически инертного слоя донных отложений (без биологического тепловыделения)»

Использованный методический подход в данном случае может быть рекомендован как сравнительно простой в математическом отношении экспериментально-теоретический метод определения коэффициента эффективной температуропроводности донных отложений / 78, 83

Проведен анализ особенностей переноса теплоты в грунте оз. Кубенского в различные периоды годового цикла. Обнаруженный эффект влияния конвективного движения водной составляющей пористого водонасаденного грунта на интенсивность переноса теплоты позволяет не только повысить точность расчетов термического режима мелководного водоема с учетом сезонного хода величины коэффициента обмена в. донных отложениях, но и объяснить сопутствующие этому процессу явления, например, сезонные изменения концентрации биогенных веществ в водной массе /38J *

Выявленные особенности тепло-массопереноса в донных отложениях позволили также обосновать важную стратегическую концепцию о соотношении между экспериментальным и расчетным подходами к определению теплофизических характеристик грунтов водоемов.

В Главе Ш на основании проведенных исследований сформулирована, аналитически решена и апробирована на примере расчета

М- ' М» «А- ЧМ> «м- |Д» ледово-термического режима озера Кубенского сопряженная теплофизическая модель (с биологически инертным слоем донных отложений). большого мелководного озера.

Исследовано влияние определяющих факторов тенлофизичес-кой модели - глубины водоема, теплопроводных свойств грунта, уровня теплоотдачи с поверхности озера в атмосферу и теплообмена с биологически инертным слоем донных отложений при параметрическом влиянии в последних двух случаях теплопроводных свойств грунта, на время замерзания водоема.

Показано, что теплопроводные свойства донных отложений, определяемые значениями коэффициентов эффективной тепло- и температуропроводности, существенно влияют на интенсивность теплообмена донных отложений с водной массой и, таким обраг зом, на время замерзания водоема*

Полученные данные позволяют утвердать, что корректный детерминированный расчет нестационарного температурного поля в сопряженной системе вода - донные отложения невозможен без предварительного определения основных теплофизических свойств донных отложений*

На оснований анализа результатов расчета теплофизической модели (с биологически инертным слоем донных отложений) и тепловых балансовых расчетов, на примере конкретных данных для озера Кубанского подучено,что^с привлечением одних только теплофизических факторов объяснение динамики зимнего охлаждения и фактической продолжительности этого периода, заканчивавшегося замерзанием водоема, вызывает непреодолимые затруднения принципиального характера. 3 ряду таких теплофизических факторов оценивалось возможное некорректное задание некоторых исходных данных (составляющих теплоотдачи о поверхности оз.Ву-бенского по литературным данным, величины, коэффициента эффективной температуролров одно с тя грунта)влияние геотермального источника теплоты, водообмена и,,, естественно, влияние теплообмена воды с деятельным слоем донных отложений*

Расчет теплофизичеокой модели большого мелководного озера д выполненные теплобалансовые оценки позволили сделать вывод о том, что единственным реальным источником дополнительного поступления теплоты в водную массу со стороны донных отложений может явиться только источник биологической природы, возникающий в донных отложениях за счет жизнедеятельности бактерий в процессе деструкции органического вещества*

В Главе 4 в рамках сформулированной био-теплофизжчеекой модели (для биологически активного слоя донных отложений) независимым способом оценена интенсивность действия биологического источника теплоты, возникающего в результате жизнедеятельности микрофлоры донных отложений и определено возможное влияние этого процесса на формирование термического режима слоя грунта водоема. Для различных возможных вариантов распределений численности бактерий по глубине донных отложений модельного водоема (оз. Кубенское) найдены функции объемной плотности теплового'потока от биологического источника по вертикали.

В результате расчета био-теплофизической модели, записанной для биологически активного слоя грунта, получены данные о том, что даже при сравнительно малой концентрации бактерий в донных отложениях оз. Кубенекого, относительный разогрев и изменение теплозаласа грунта по сравнению с биологически инертным слоем донных отложений (без биологического источника теплоты) могут быть существенными в случае достаточно: большой толщины слоя с биологическим источником теплоты.

При сравнительно высокой, концентрации .бактерий в. поверхностном слое, донных отложений на.уровне значений, характерных -для .большинства водоемов Европейской территории России, вклад биологического источника теплоты в.формирование температурного режима и тепло запаса донных отложений мелководного водоема может быть значительным даже при экспоненциальном убывании числа бактерий по глубине донных отложений. Полученные впервые при расчете био-теплофизической модели (для биологически активного слоя донных отложений) результаты'являются оригинальными и, как можно полагать, открывают новое научное направление в исследовании термического режима водоемов. развитие тешюфиаической модели водоема (с биологически инертным слоем грунта), а также с целью учета и устранения присущих ей внутренних противоречии в Главе у сформулирована, аналитически решена и апробирована на примере расчета ледово-термического режима озера Кубенского сопряженная био-теплофи-зическая модель большого мелководного водоема.

Линеаризация поставленной нелинейной в общем случае сопряженной задачи достигается за счет физически обоснованного проведенными исследованиями (Главы I, II) постоянства по глубине и температуре значений коэффициентов эффективной температуропроводности в период существования достаточно интенсивного конвективного движения как в водной массе, так и в (пористом водонасыщенном или обладанием свойством текучести илистом) грунте.

С помощью полученного решения исследован механизм формирования термического режима и процесса замерзания большого мелководного озера при наличии в его донных отложениях биологического тепловыделения, сопровождающего деструкцию органического. вещества. Путем численного моделирования исследовано .влияние плотности тепловыделения биологического источника, различных законов распределения численности бактерий по вертикали ж влияние теплопроводных свойств донных отложений на условия замерзания мелководного водоема. Уточнены значения указанных параметров применительно к модельному водоему -озеру Кубенскому.

Апробация решения, проведенная на примере расчета ледово-термического режима озера Кубенского, позволила снять все затруднения принципиального характера, свойственные теплофи-зической модели водоема с биологически инертным слоем донных отложений, в объяснении времени замерзания модельного водоема,

В Главе У1 на основании анализа био-теплофизяческой модели водоема предложены, а также сделана попытка качественно и количественно обосновать био-теплофизические концепцию и механизм самоочищения мелководного водоема от огромного количества ежегодно продуцируемого в нем органического вещества. При этом определяющая роль в процессе самоочищения отводится верхнему, биологически активному слою донных отложений, в котором по условиям массо- и теплообмена обеспечивается достаточно активная микробиологическая деструкция органического вещества и сопровождающее ее тепловыделение.

Для наиболее вероятного закона распределения численности бактерий по глубине донных отложений оз. Кубенского оценена толщина биологически активного слоя.

Качественный и количественный анализ предложенных концепции и механизма самоочищения мелководного водоема показал, что понятие о биологически активном (с точки зрения деструкции исходного органического вещества) слое донных отложений имеет не только теоретическое, но и важное экологичкское, природоохранное значение. Как показано, это достаточно тонкий слой порядка см или десятка см), в котором происходят основные мики биохимические робиологические процессы, обеспечивающие самоочищение мелководного водоема и устойчивость экосистемы к определенному уровню антропогенных воздействий.

В диссертации разрабатываются, обосновываются и защищаются

- результаты исследования сезонных особенностей теплопереноса в водной массе и донных отложениях, а также условий формирования ледово-термического режима глубокого и мелководного озер. В последнем случае с учетом теплообмена водной массы с грунтом, в котором действует тепловой источник биологической природы;

- новое научное направление и его разработки в исследовании термического и ледово-термического режимов водоема при наличии био-теплофизических процессов, сопровождающих микробиологическую деструкцию органического вещества в донных отложениях;

- концепция и интегральный механизм самоочищения мелководного водоема от продуцируемого в нем органического вещества и определяющая роль верхнего, биологически активного слоя донных отложений в этом процессе.

Представленная диссертация суммирует основные результаты исследований, выполненных автором в период с 1972г. по настоящее время, в том числе по заданию Института Озероведения АН в соответствии, с "Рабочей, программой по проведению Комплексных исследований, связанных с определением оптимального уровня воды озера Севан,сохранением ее качества, рационального использования и воспроизводства естественных богатств его бассейна на 1983-19Ь5годы" по теме ГКНТ.0.65,01,.1и,0Х -озеро Севан, где автор являлся ответственным исполнителем от Лесотехнической академии (ЛТА) по разделу

0I.02.H2 пункта 2 Рабочей программы ( отчеты JÏA за 1983-198Ьг.г. по х/д НИР, № гос.per. GI630029979); в рамках г/б НИР кафедры теплотехники и ТСУ ЛТА (отчеты л'ГА за 1986, 1987, 1988, 1989, 1990, 1994, 1995, !996г.г. по г/б НИР, »гос.per. UX66uu8l986f 0I94QGG0228 и др.

Защищаемые в диссертации результаты исследований получены лично автором работы либо при его непосредственном участии. Последнее относится к числовым расчетам, проведенным в МВД Лесотехнической академии.

2. ЖВА X ♦

Теплофизика большого глубокого озера (на примере озера Севан).

1,1. О проблеме озера Севан и возможном пути ее решения.

Озеро Севан является одним из уникальных и самым крупным из пресноводных высокогорных озер мира.

При условии осуществления соответствует мероприятий по охране вод и бассейна озера в перспективе оно рассматривается как основной источник водоснабжения Армении.

В связи с интенсивным использованием водных ресурсов озера Севан на энергетические нужды и орошение, особенно в период, начиная с 193? до 1962 гг., уровень озера в 197? г. снизился на 18 м, объем и площадь его уменьшились на 41% и 12% соответственно. В этот период времени сток из озера Севан возрос с 30-50 млн.м8 до 1400-1750 млн.м8 в год, а уровень озера к 1963 г. снизился да на 16 м и озеро "зацвело". В итоге значительной сработки водных запасов озера, вкдочая использование части вековых запасов севанской воды, произошло нарушение экологического равновесия озера, выразившееся в изменении круговорота биогенных веществ, прозрачности воды, резком увеличении продукции и биомассы фитопланктона и связанных с ним компонентов биоценоза.

Существенно изменились условия нереста и пищевые ресурсы основного представителя севанской ихтиофауны - форели. Стал активно развиваться процесс эвтрофикации водоема, ухудшилось качество севанской воды /70у.

Понижение уровня озера привело также к заметному изменению его термического режима. При этом стали проявляться особенности, характерные для сравнительно мелководных, водоемов: прогревание водной массы стало происходить более интенсивно по сравнению с естественным состоянием озера (1926-1930 гг.); более быстрыми тешами озеро стало охлаждаться в осенний период; увеличилась годовая амплитуда колебаний температуры воды.

В Сводном докладе I 70 J Временной Научно-технической Комиссии (ВЕНО по проблеме озера Севан было обращено особое внимание на такой существенный показатель теплового состояния озера, как образование устойчивого ледяного покрова. Отмечено, что в естественном состоянии озеро Севан было незамерзающим водоемом, где ледостав наблюдался лишь в исключительных случаях.

В период с 1949 по 1959 гг., когда понижение уровня составляло около 14 м, озеро замерзало о раз. Начиная с 1971 г., при понижении уровня воды в озере на 17-18 метров, ледостав наблюдается практически каждый год.

Основной причиной ускоряющегося эвтрофирования озера Севан, как отмечается в / 70J % является понижение уровня озера, повлекшего за собой целый ряд взаимосвязанных процессов, в той или иной степени способствующих эвтрофированию. Дрежде всего, коренным образом нарушился свойственный естественному состоянию озера механизм круговорота биогенных элементов. В результате гибели основной массы макрофитов, которые являются пищевыми конкурентами фитопланктона, последний получил возможность использовать недоступный для него в прошлом внут-ряЕодоемшй запас биогенных веществ, который оказался достаточным да поддержания высокого уровня его фотосинтетической деятельности. Этому процессу способствовала также почти полная ликвидация гиполимниона в Большом Севане в. результате. .значительного падения его уровня, а также преобладание гомотер-мии, облегчивших переход биогенных элементов из донных отложений в воду озера.

Как подчеркивается в Сводном докладе ВПК, в сложившихся. условиях. уровенного режима обеспеченность фитопланктона биогенными элементами возрастает также за счет ежегодных ледоставов в озере, резко ухудшивших аэрацию воды, особенно в гипо-лишионе, и усиливших тем самым поступление в воду из донвых отложений аммонийного азота. Не исключено, что именно частые ледоставы могли явиться своего рода катализатором для экспоненциального нарастания скорости эвтрофирования озера Севан в условиях значительного снижения его уровня при непрерывно нарастающем поступлении биогенных веществ как от внутриводоемных источников, так и с водосборной площади.

ВНТК полагает /70 J\ что ослабление темпа эвтрофирова-ния озера Севан возможно только через повышение уровня озера при одновременном устранении или значительном уменьшении поступления биогенных веществ с водосбора.

Вместе с тем отмечается, что возможность полного восстановления прежнего уровня озера на отметке 1915 м н.у.Б.м. в обозримом будущем исключается превде всего из-за отсутствия источников столь большого объема воды (около 24 км3) и, кроме того, из-за нецелесообразности затопления в этом случае достаточно большой освоенной территории.

Накопление же воды путем прекращения стока из Севана потребует около 50 лет и вызовет усиление эвтрофирования из-за уменьшения водообмена ж увеличения минерализации воды. Возможным выходом в данной ситуации, по мнению ВНТК, является даже частичное, увеличение глубины озера, позволяющее в условиях температурной; стратификации создать более мощный слой гшзолш-циона, уменьшить вовлечение донных отложений в круговорот веществ в озере и замедлить поступление биогенных веществ в воду, что уменьшит в свою очередь дефицит кислорода, расходуемого на окисление органических веществ.

Расчеты Севанской гидробиологической станции Академии наук Армении показывают, что если взять за критерий т.н. кислородный показатель, т.е. отношение количества кислорода во всем объеме гшолимниона в летне-весенний период к его количеству во всем объеме зпилимниона, то в настоящее время этот показатель у Большого Севана равен всего 0,22, то есть имеет значение, типичное для эвтрофных озер.

Между тем в доспусковой период этот показатель для всего озера и отдельных его частей был равен I, что свойственно оли-готрофным озерам.

Как найдено, при подъеме уровня в Большом Севане на 6 м кислородный показатель увеличится в 2,3 раза. Дальнейшее увеличение кислородного показателя, например, еще в 2 раза, потребует неоправданно большого повышения уровня воды в озере Севан - на 18 м относительно современного его состояния.

Расчеты Севанской гидробиологической станции показывают также, что при подъеме уровня вода на 6 м в литорали Большого Севана заметно сократится (на 90 кА площадь, занимаемая илистыми грунтами, потребляющими кислород, и появится 40 км2 каменисто-гравийного грунта и галечника, являющихся местами нереста озерной форели. В настоящее время в Большом Севане таких грунтов нет, так как все они оказались на суше.

Как считает ВНТК, первоочередной и наиболее радикальной мерок снижения темпа эвтрофирования озера Севан является создание в Большом Севане устойчивого и достаточно мощного гипо-лимниона, который должен защитить природные слои профундали от нагревания и вымывания из шов органических и биологических веществ. Эта задача, по мнению ВНТК, может быть достигнута только путем подъема уровня до отметки минимум 5-6 метров относительно современного состония озера. При этом проточность озера не должна снижаться пог сравнению с естественным (допуск о вымй периодом. Только при соблюдении упомянутых условий (подъем уровня и оптимальная проточность) может быть снижен темп процесса эвтрофирования в озере Севан.

На основе разработанной в Институте Озероведния РАН одномерной параметризованной модели (модель ИНОЗ), предназначенной для расчета временно!? эволюции осредненных по горизонтали значений температуры и характеристик турбулентности на разных глубинах, по метеоролическим данным за 1983 г. выполнено свыше 30 численных экспериментов, соответствующих разным положениям уровня Большого Севана. В каждом эксперименте воспроизводились периодический годовой цикл температуры и толщины квазиоднородного перемешанного слоя (КПС), придонной температуры, толщины ледяного покрова и потока теплоты через водную поверхность.

Как найдено в работе /1£7/, при поднятии уровня Б.Севана на б м существенно сокращается суммарная продолжительность летных вторжений КПС до дна озера, способствующих взмучиванию и эвтрофированию, т.к. они происходят при высоких температурах, когда питательные вещества, содержащиеся в илах, значительно интенсивнее проникают в озерную воду, а главное, в биологические циклы.

Таким образом, поднятие уровня воды на б м по данным работы /А2% / должно существенно подавить процессы взаимодействия озера с дном. В свою очередь, как предполагается, это должно йовлечь сокращение вредных последствий вторичного взмучивания и улучшение качества воды в озере Севан.

Важным звеном в цепи аргументов для обоснования величины оптимального подъема уровня озера Севан является снижение вероятности образования устойчивого ледяного покрова.

В этой связи ниже приведены основные результаты исследований, выполненных по темел ГКНТ 0.85.01.10.01 (озеро Севан), раздел 0I.02.H2 пункта № 2 "Рабочей программы по проведению комплексных исследований, связанных с определением оптимального уровня воды озера Севан, сохранением ее качества, рационального использования и воспроизводства естественных богатств его бассейна на 1983-1985 г.г.'] с целью выяснения условий замерзания озера Севан в зависимости от определяющих этот процесс факторов -- глубины озера и уровня отрицательных температур воздуха над акваторией в зимний период.

Заключение диссертации по теме «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», Шишкаев, Станислав Михайлович

4. Результаты исследования теплофизики замерзания глубокого озера применительно к анализу ледово-термического режима озера Севан вошли в отчет по НИР " Оценка изменения водного баланса, уровня и других показателей гидрологического режима озера Севан в связи с планируемыми водохозяйственными мероприятиями ( Заключительный отчет по теме 0,85.01.10.ul в плане ГКН'Г, Ш гос. per. 01.63.00,30.655) и использованы дл^обоснования оптимального подъёма уровня воды в озере Севан.

Автором получены Заключения о внедрении результатов данных исследований от Института Озероведения АН Уголовная организация по теме ГКНТ 055,01.10,01-озеро Севан) и Государственного гидрологического института для прогноза гидрологического режима и определения оптимальной величины подъема уровня озера Севан. С Копии заключений приведены в Приложении).

5. С целью последующей формулировки и анализа физически обоснованных тепловых моделей мелководного водоема с биологически инертным (без биологического источника теплоты) слоем донных отложений- теплофизическая модель, и биологически активным (.с учетом биологического тепловыделения) грунтом-био-теплофизическая модель, предварительно была обоснована физи-коматематическая постановка и аналитически решена задача для биологически инертного слоя донных отложений.

6. Б рамках использованного и развиваемого в работе интегрального подхода к расчету термического режима водоемов предложен сравнительно простой для практического использования экспериментально-теоретический метод определения коэффициента эффективной температуропроводности ( ) донных отложений / 76, 63 /.

7. Предложенный метод определения коэффициента эффективной температуропроводности апробирован на примере расчета значений ( 0.Зф ) для грунтов озера Кубенского.

8. Показано, что в период охлаждения водоема при наличии максимума температуры, расположенного в глубине массива донных отложений, происходит значительная интенсификация тепло-мае-сопереноса по сравнению с периодом нагревания водоема.

Обнаруженный / 73, 83/ эффект влияния конвективного движения водной составляющей в пористом водонасыщенном грунте позволяет не только повысить точность расчетов термического режима мелководного водоема с учетом сезонного хода величины коэффициента эффективной температуропроводности донных отложений. но и объяснить сопутствующие этому процессу явления, например, поступление биогенных веществ из донных отложений в водную массу в период осеннего охлаждения водоема / 36 /.

10. Исследование механизма теплопереноса в донных отложениях и его сезонных особенностей позволили обосновать важную концепцию о соотношении между экспериментальным и расчетным методами определения теплофизических характеристик грунтов, согласно которой во многих случаях при нахождении основных свойств .( йэ<|>. » ) не только целесообразно, но и более правильно использовать предложенный экспериментально-теоретический подход к определению этих С эффективных по своему смыслу и природе) характеристик по сравнению с экспериментальными методами, позволяющими (при значительно больших трудоемкости и затратахО получать значения тех же величин, но лишь в условиях молекулярного тепло- и массопереноса.

11. Сформулирована, аналитически решена и апробирована на примере расчета ледово-термического режима озера Кубенского сопряженная теплофизическая модель (с биологически инертным слоем донных отложений) большого мелководного озера.

12. Путем численного моделирования исследовано влияние определяющих факторов теплофизической модели- теплопроводных свойств грунта, уровня теплоотдачи с поверхности озера в ^атмосферу и теплообмена с (биологически инертным) слоем . донных отложений при параметрическом в последних двух случаях влиянии теплопроводных свойств грунта, на время замерзания водоема.

13. Найдено, что теплопроводные свойства грунта С (13ф , Аэф.) могут заметно влиять на интенсивность теплообмена донных отложений с водной массой и, таким образом, на время замерзания водоема.

Полученные данные дают основание утверждать, что корректный детерминированный расчет нестационарного температурного поля в сопряженной системе вода- донные отложения '„.невозможен без предварительного определения основных теплофизичес-ких свойств донных отложений (&Эф. > -^эчр.).

14. На основании анализа результатов расчета теплофизической модели С с биологически инертным слоем донных отложений) и тепловых балансовых расчетов, на примере конкретных данных для озера Кубенского получено, что с привлечением одних только теплофизических факторов объяснение динамики охлаждения и продолжительности фактического времени замерзания мелководного водоема вызывает непреодолимые затруднения принципиального характера.

В ряду таких теплофизических факторов оценивалось возможное некорректное задание некоторых исходных данных (. составляющих теплоотдачи с поверхности озера Кубенского по литературным данным, величина коэффициента эффективной температуропроводности грунта), влияние геотермального источника теплоты, водообмена и, естественно, влияние теплообмена воды с деятельным. слоем донных отложений.

15. Теплобалансовые расчеты, выполненные на базе конкретных данных для нескольких хорошо изученных мелководных озер с различными морфометрическими характеристиками ^ озёраКубен-ское, Боже, Лача), которые относятся к одному и тому же типу мезотрофных озер и находятся в близких климатических условиях, полностью подтвердили вывод, полученный на примере оз.Кубенского из расчета теплофизической модели мелководного озера.

Согласно сделанному выводу, теплофизическая модель мелководного озера С в предположении отсутствия биологического тепловыделения в донных отложениях водоема) имеет по этой причине внутреннее противоречие, принципиально не позволяющее объяснить разительное несоответствие между действительным временем замерзания мелководного озера в природе и в несколько раз меньшим значением этой величины, полученной на основе теплобалансового ( статического) расчета (по реальному суммарному теплозапасу водной массы и деятельного слоя донных отложений) или на основе теплобалансовогоЛ динамического) расчета (на базе самой теплофизической модели мелководного озера), дополнительно учитывающего неравновесный характер процесса формирования ледово- термического режима мелководного«. озера. Проведенные для периода осенне-зимнего охлаждения модельных мелководных водоёмов статические и динамические теплобалансовые расчеты определенно указывают на поступление в водную массу именно из верхнего слоя донных отложений С толщиной не более нескольких десятков сантиметров) некоторого дополнительного теплового потока не теплофизической природы, т.е. не связанного с физическим теплозапасом ( энтальпией) донных отложений.

Анализ имеющихся натурных данных по сезонной активности . С численности и энергетической продукции) микрофлоры модельных озёр чКубенского, Боже, .Яача) говорит о значительной интенсификации С в среднем, на порядок по сравнению с весенне-летним периодом) микробиологического процесса в осенне-зимний период за счет поступления в донные отложения большого количества биомассы при ее отмирании в этот период времени.

- гг%

С учётом независимых оценок возможного теплового потока биологической природы, возникающего в процессе микробиологического распада органического вещества в донных отложениях мелководного водоёма, сделанных на основе известных данных материально-энергетического баланса процессов аэробного микробиологического окисления и анаэробного брожения органического вещества, была идентифицирована микробиологическая природа дополнительного теплового потока, поступающего в водную массу озера со стороны донных отложений. Данный вывод получил далее в работе экспериментальное подтверждение.

16. Проведенные исследования и сделанные количественные оценки дали возможность обосновать и сформулировать био-тепло-физическую модель биологически активного слоя донных отложений большого мелководного озера (с учётом биологического источника теплоты).

17. На основе данных об энергетической продукции озера Кубенского и известных данных материально-энергетического баланса процессов анаэробного брожения и аэробного микробиологического окисления органического вещества независимым методом определены ориентировочные значения среднеинтегрального теплового потока от единичной клетки для периода летнего нагревания озера.

18. В рамках сформулированной био-теплофизической модели биологически активного (в смысле тепловыделения от биологического источника) слоя донных отложений найдены, для различных возможных вариантов распределений численности бактерий по глубине донных отложений, функции объемной плотности теплового потока от биологического источника по вертикали.

19. В результате численного моделирования получены данные о том, что даже при сравнительно малой концентрации бактерий, характерной для донных отложений озера Кубенского, относительный разогрев и изменение теплозапаса грунта ( по сравнению с биологически инертным слоем донных отложений) могут быть существенными в случае достаточно большой толщины слоя с биологическим источником постоянной интенсивности.

При сравнительно высокой концентрации бактерий в поверхностном слое донных отложений на уровне значений, характерных для большинства водоемов Европейской территории России, вклад биологического источника теплоты в формирование температурного режима и теплозапаса донных отложений мелководного водоема может быть значительным даже при экспоненциальном законе убывания числа бактерий по глубине донных отложений.

20. Полученные при расчете и анализе био-теплофизической задачи для биологически активного слоя донных отложений результаты являются оригинальными и, как можно полагать, открывают новое научное направление в исследовании термического режима водоемов, лежащее на стыке теплофизики, биологии и географии.

21. логическим продолжением исследований явилась обоснованная формулировка био-теплофизической модели большого мелководного озера, призванная устранить некоторые принципиальные противоречия, свойственные как было показано, теплофизической модели, не учитывающей наличие теплового источника биологической природы, действующего в донных отложениях.

22. Сопряженная система уравнений теплопроводности с эффективными характеристиками теплопереноса. для воды и слоя донных отложений при наличии объемных источников теплоты, возникающих в рассматриваемых средах за счет поглощения солнечного излучения и жизнедеятельности бактерий соответственно^ развитие метода (математической физики) Гринберга / 29 / решена аналитически. С помощью полученного в замкнутом виде решения анализируются механизм формирования, особенности термического режима и замерзания большого мелководного водоема на примере конкретных данных для озера Кубенского.

23. Линеаризация поставленной в общем случае нелинейной задачи достигается за счет физически обоснованного проведенными исследованиями С Главы I, II ) постоянства по глубине и температуре значений коэффициентов эффективной температуропроводности в периоды, в том числе., при зимнем охлаждении водоема, существования достаточно интенсивного конвективного движения как в водной массе, так и в донных отложениях.

24. Апробация решения, проведенная на примере расчета ледово-термического режима озера Кубенского, позволила снять затруднения принципиального характера, свойственные теплофизическом модели водоема ( с биологически инертным слоем донных отложений), в объяснении механизма и времени замерзания модельного водоема.

25. Методом численного моделирования исследован процесс замерзания и влияние определяющих его факторов - плотности тепловыделения биологического источника, различных законов распределения численности бактерий по вертикали и влияние теплопроводных свойств донных отложений на формирование условий замерзания мелководного водоема. Из решения обратной задачи теплообмена, проведенного для реального (экспоненциального) закона распределения бактерий по глубине грунта, определены значения поверхностной плотности тепловыделения а также порядок величины тепловыделения от биологического источника в расчете на единичную клетку, при которых биологическое тепловыделение существенным образом влияет на условия и время формирования ледового режима мелководного озера.

26. Найденные теоретически значения тепловыделения от биологического источника подтверждены в работе экои-периментально в результате лабораторного исследования на дифференциальном микрокалориметре.

27. На основе применения методического подхода с использованием эффективных ( интегральных) характеристик теплообмена, дополненного полученными аналитическими решениями сопряженных теплофизической и био-теплофизической задач, разработана сравнительно простая интегральная методика расчета термического режима водоема, включая его замерзание, пригодная для инженерных прогностических расчетов / 77 /.

26. На основании анализа био-теплофизической модели водоема С с биологически активным слоем донных отложений) предложена и качественно обоснована новая концепция механизма самоочищения мелководного водоема от огромного количества ежегодно продуцируемого в нем органического вещества.

29. Качественный анализ возможного механизма самоочищения мелководного водоема в годовом цикле указывает на определяющую роль донных отложений и, в том числе, значительный вклад анаэробного брожения биомассы, происходящего в донных отложениях, в общий процесс самоочищения водоема.

30. На примере данных для модельного водоема ^ озера Кубенского) показано, что в донных отложениях водоема, в первую очередь для периода ледостава, существуют вполне приемлемые уеловия для анаэробной (микробиологической) ферментации в форме метанового брожения и сульфатредукции.

31. С целью количественного обоснования высказанной гипотезы о возрастающей и определяющей роли донных отложений в процессе самоочищения для периода охлаждения водоема, а также с целью получения дополнительных данных о локализации основного теплового эффекта, сопровождающего микробиологическую деструкцию биомассы в донных отложениях, проведен дополнительный количественный анализ результатов расчета био-теплофизи-ческой модели мелководного водоема.

32. Для модельного водоема ( озера Кубенского) дополнительно показано, что при сравнительно невысоких теплопроводных свойствах основного массива донных отложений С&эф, ®0,05м^/.сут.) определяющий вклад в формирование термического режима водоема, в том числе условий замерзания, вносит тепловыделение от биологического источника в верхнем слое донных отложений. В тоже время большая часть тепловыделения от биологического источника локализуется в с слое конечной толщины и имеет явно выраженный гомогенный ( объёмный) характер.

33. Слой донных отложений, в котором по условиям массо- и теплообмена обеспечивается достаточно активная микробиологическая деструкция органического вещества и сопровождающее ее тепловыделение, определён как биологически активный слой донных отложений.

Определены также факторы, способствующие интенсификации массо- и теплообмена, и, таким образом, участвующие в формировании толщины биологически активного слоя донных отложений. Для наиболее вероятного(экспоненциального) закона распреде-' — ления численности бактерий по глубине донных отложений озера

Кубенского оценена толщина биологически активного слоя. 34. Качественный и количественный анализ предложенной концепции механизма самоочищения мелководного водоема показал, что введенное понятие о биологически активном слое донных отложений имеет не только теоретическое, но и важное экологическое, природоохранное значение.

Как показано, это достаточно тонкий слой ^толщиной не более нескольких десятков сантиметров), в котором происходят основные микробиологические,биохимические процессы, обеспечивающие самоочищение мелководного водоема и устойчивость экосистемы к определенному уровню антропогенных воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ О ВНЕДРЕНИЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ПО ТЕМЕ

3500 "Теоретическое и экспериментальное исследование индекс,наименование тзмы тепло-влагообмена озер

Выполненной" Ленинградской лесотехнической академией название нау^шо-^сйГэдовательского учреждения в 1983-85 г ¿т."

Внедряющая организация Государственный гидрологический институт

- расчета ледово-термического режиму : ; : !

Вид внедрения .результатыУиспользозаны при разработке прогноза гид-прогноз, метод, агетод.указания, справочное пособие, рологического режима и определении оптимальной величины подъема карты,приборы и т.д. уровня оз.Севан

Срок внедрения 1985 год Ш квартал

Полученный при внедрении эффект Эффективность исследований определяс о циал ьный,э кологически й, научноется созданием дополнительного обоснования для более надежного опретёхнический, экономический и др., выраженный в качественной или деления необходимой величины подъема уровня. Экономический эффект щ количественной форме """" : ' ' данном этапе не определялся

Подпись руководителя оргащ^яци Печать, дата и.о.руково-*еля организации в.С.ву глине кии /

Зак.81.Тир.500.ВФ,ГГИ,Т984г.

Т'Г"

I'

Согласовано:

НИР

П.Петров . ■

Тт. ■ ■ :

СПРАВ К А гбльзовании результатов НИР Ленинградской технической академии, имени ■ и.М. чирова

Кафедра,, теплотехтщи и ТСУ

3 итоге выполнения НИР (ОКР) .№ 3500 ^Теоретическое и эксперимент тадьное исследования тепло-влаго обмена озер" наименование шг \ шг)/' "" - ■ - : ■ .

Сметной- стоимостью. 60 тыс.рублей, выполненной с 198 3 г. • по 198 5 г. в соответствии о темой ГКНТ 0.85»01Л0.01 (озеро Севан основание для проведения тг ижг> получены следующие результаты Разработаны новые научно-методические подходы к исследованию процессов тепло-массбобмена на границе водаозеоа

СезаНа —-—■ ----:---:—■——---—:--;-■--:--/.— -— которые (будут) использованы в Государственном Гидрологическом

• . . ' /наименование предприятия или , . организации/ 1 '' , институте и инсти^те Озероведнжя АН СССР конкретное содержание работы, выполненной с помощью'разрабо-" ток ЛТА прогноз гидрологического режима и определения оптимальной величины подъема уровня озёра Севан . . - ■ ' . что подтверждаетсяЗвключением о внедрении работ по теме

- - /официально утвержденные документы/.

3500 ж включением результатов НИР в заключительный отчет по теме протоколы, ёнМцйя'~тчеты : заказчика и т.д./ " . . . : -- 1 ■■;•

Практическая реализация разработок обеспечивает^уточненный прогноз ледово-термического режима и условий замерзания водоема

Характеризовать, научно-техническую задачу, решаемую "с помощью . разработок вуза/"

ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ^?орма планируемого- внедрения

Прогноз гидрологического режима и определения оптимальной величины подъема уровня о .Севан

Вид и объем внедрения

Где и когда планируется внедрение

1986 г. епгласно «техническому я^дянм по теме $ 3300

База для сравнений

ОЖИДАЕМАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ существующие методики бфгшв'зшигршш|юхм1да«ж®здусреимущества разрабатываемого варианта- •• Л • ' •• -• методика проста при использовании и дает приемлемую для

- -Эффективность исс-ае-ШО&$>Ушп бо- * лее надежного определения .необходимой величины подъема уровня

ИЯ ^81 на »«« УВ°вне не определялся

Ожидаемый экономический эффект, приходящийся;.,на долго Академии,

ТЫС.руб.' - ' \ ' ••■■'•••■ ; '• •■• ■• : - •■ < • •- ;■■ У Я