О возможном механизме проявления на поверхности моря подводного сброса сточных вод

Одним из важных источников антропогенного воздействия на прибрежные акватории является сброс сточных вод. Изучение процессов, связанных с этим воздействием, в настоящее время производится контактными методами в натурных условиях [Bondur etal, 2004], с использованием аэрокосмических дистанционных методов [Bondur etal, 2005], а также с помощью математического моделирования динамики затопленных турбулентных струй (см, например, [Koh& Brooks, 1975, Bondur etal, 2006]). Одним из возможных механизмов поверхностного проявления глубоководного сброса является генерация внутренних волн [Bondur etal, 2005].
Целью настоящей работы является выяснение возможности возбуждения внутренних волн такими всплывающими турбулентными струями на основе масштабного лабораторного моделирования и оценка эффективности такого механизма генерации внутренних волн. Эксперименты проводились в большом термостратифицированном бассейне ИПФ РАН (БТСБ). Размеры БТСБ: длина 20 м, ширина 4 м, глубина 2 м. В бассейне создается температурная стратификация термоклинного типа c перепадом температуры при переходе через термоклин 20оС и его характерной толщиной – 20 см. Модель диффузора коллектора представляла собой трубку длинной 1.3 м, на боковой поверхности которой имелось 5 отверстий диаметром b0=3 мм, расположенных на расстоянии 30см друг от друга. Для моделирования всплывающих струй использовался раствор этилового спирта с плотностью 0.93 г/см3, скорость истечения которого U0 изменялась от 0.3 до 1.9 м/с. Такой выбор параметров обеспечивал геометрическое подобие модели со сбросовой системой Sand Island Honolulu wastewater outfall в бухте Мамала (Гавайи) в масштабе 1:27. Выбор U0=1 м/с обеспечивал подобие по безразмерным параметрам задачи: числу Ричардсона - и безразмерному параметру стратификации - , где Dr0 – начальная разность плотностей струи и окружающей жидкости, - максимальное значение частоты плавучести, g – гравитационное ускорение.
При взаимодействии струи с термоклином наблюдалось возбуждение интенсивных колебаний изотерм. При скорости истечения жидкости 95-105 см/с, соответствующих условиям масштабного моделирования размах колебаний изотерм составлял 3-5 см, что в натурных условиях соответствует 0.8-1.3 м. Были построены зависимости амплитуд от параметров задачи и предложен вероятный сценарий генерации внутренних волн всплывающими струями. Источником колебаний пикноклина являются автоколебания затопленных струй, возникающие за счет развития гидродинамической неустойчивости. Получена характерная для автоколебательного режима зависимость амплитуды колебаний от управляющего параметра – числа Ri. При этом, наблюдается, по-видимому, вынужденная генерация внутренних волн.
Литература
Bondur V., Keeler R., Gibson C. 2005 Optical satellite imagery detection of internal wave effects from a submerged turbulent outfall in the stratified ocean GRL, 32, L12610, doi:10.1029/2005GL022390,.
Bondur V., Keeler R., Vithanage D. 2004 Sea truth measurements for remote sensing of littoral water Sea technology, p. 53-58
Bondur V., Zhurbas V., Grebenuk Yu. 2006 Mathematical modeling of turbulent jets of deep oufalls in coastal water areas. Oceanology, v.46, №6, p.805-820.
Koh C. Y., Brooks H. N. 1975 Fluid Mechanics of waste-water disposal in the ocean. Annu. Rev. Fluid. Mech, , V. 7. 187-211.