Роль гидростатического приближения при моделировании субмаринной разгрузки пресных вод в карстовой полости

Abstract

Обсуждаются результаты численных экспериментов, посвященных воспроизведению трехмерной структуры гидрологических полей в карстовой полости. Для этого используются трехмерная гидростатическая и двумерные гидростатическая и негидростатическая численные модели (в приближении «твердой крышки»). В трехмерной модели роль приближения гидростатики оценивается апостериори на основе баланса членов в вихре скорости ω = wy − vz. Показано, что в трехмерной и двумерной гидростатических моделях влияние слагаемого wy, связанного с вертикальными движениями, оказывается существенным только вблизи источника пресной воды. В рамках двумерной негидростатической модели отказ от приближения гидростатики приводит к большему распреснению поверхностных вод в полости, что лучше согласуется с данными наблюдений. Установлено, что главным фактором, влияющим на формирование реальной структуры гидрологических полей в карстовой полости, является образование вертикальной ячейки циркуляции из-за завихренности поля скорости, роль конвективного перемешивания при этом является вторичной.

Обговорюються результати чисельних експериментів, присвячених відтворенню тривимірної структури гідрологічних полів у карстовій порожнині. Для цього використовуються тривимірна гідростатична і двовимірні гідростатична і негідростатична чисельні моделі (у наближенні «твердої кришки»). У тривимірній моделі роль наближення гідростатики оцінюється апостеріорі на основі балансу членів у вихорі швидкості ω = wy – vz. Показано, що в тривимірній і двовимірній гідростатичних моделях вплив доданка wy, пов'язаного з вертикальними рухами, є істотним тільки поблизу джерела прісної води. В рамках двовимірної негідростатичної моделі не врахування наближення гідростатики призводить до більшого розспріснення поверхневих вод в порожнині, що краще узгоджується з даними спостережень. Встановлено, що головним фактором, який впливає на формування реальної структури гідрологічних полів у карстовій порожнині, є утворення вертикального осередку циркуляції через завихорність поля швидкості, роль конвективного перемішування при цьому є вторинною.

Results of numerical experiments intended for reconstructing three-dimensional structure of hydrological fields in a karst cavity are discussed. For this purpose three-dimensional hydrostatic numerical model and two-dimensional – hydrostatic and nonhydrostatic – ones (approximation of «rigid lid») are used. In the three-dimensional model the role of hydrostatics approximation is estimated a posteriori based on the term balance in vorticity ω = wy – vz. It is shown that in three-dimensional and twodimensional hydrostatic models influence of summand wy connected with vertical motions turns out to be significant only nearby the freshwater source. Within the framework of nonhydrostatic model, refusal from hydrostatics approximation results in stronger salinity decrease of surface waters in the cavity that better agrees with observation data. It is found that the main factor influencing formation of real structure of hydrological fields in a karst cavity is formation of vertical cell of circulation due to vorticity of velocity field; at that the role of convective mixing is secondary.