Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Развитие городской и сельской застройки в средней полосе России отдаляет население от крупных рек и озер. В то же время, проведение мелиоративных мероприятий привело к созданию большого количества искусственных прудов и озер, которые активно используются местным населением в рекреационных целях. Как правило, данные водоемы или полностью непроточны, или имеют весьма малую проточность. При интенсивной рекреационной нагрузке в пляжных зонах могут накапливаться загрязняющие вещества, которые создают опасность для здоровья людей. Различными авторами приводятся зависимости, позволяющие рассчитать допустимую рекреационную нагрузку на водоем в целом или на единицу площади акватории. Однако они не учитывают неравномерное распределение участков формирования загрязнений, индивидуальные морфометрические особенности водоемов, а главное структуру внутренних течений в водоеме. Между тем, применяя мероприятия по созданию циркуляции воды с учетом строения водоема в сочетании с биоинженерными решениями можно существенно повысить рекреационные возможности водоема без ущерба для здоровья отдыхающих. Основа данных мероприятий - создание возбужденных потоков, ориентированных на равномерное распространение загрязняющих веществ по акватории водоема. Это могут быть, как соответствующе направленные впадающие в водоем и выходящие из него водотоки, так и искусственно созданные потоки. Основной вопрос, который необходимо решить при этом - увязать характеристики естественных или искусственных потоков с их направлением, расположением, с морфометрическими характеристиками водоема и распределением интенсивности использования конкретных участков акватории. Нами сделана попытка, решить данную задачу методами математического моделирования. Для этого мы рассматриваем водоем и прилегающие берега, как матрицу отметок дна в прямоугольной системе координат. Задаваясь текущим уровнем воды, получаем матрицу текущих глубин и уравнение линии уреза воды. Рассматривая участки кривой уреза воды в местах расположения пляжей, или других объектов рекреационного использования, как криволинейную ось вспомогательной системы координат и задаваясь законом распределения интенсивности поступления загрязнения по нормали к данной оси при удалении от уреза воды, определяем интенсивность поступления загрязняющих веществ по площади водоема. Для этого переходим от системы координат с криволинейной осью, совпадающей с линией текущего уреза воды и осью, расположенной по нормали к урезу к основной прямоугольной системе координат. Для определения распространения загрязнений задаемся расположением створов потокообразователей и их ориентацией относительно основной системы координат, площадью живого сечения и средней скоростью в сечении. Рассматривая элементарные отсеки в потоке, как части плоской затопленной струи, в полярной системе координат относительно полюса струи, составляем дифференциальные уравнения в частных производных, опираясь на уравнение неразрывности потока и закон сохранения количества движения. При этом рассматриваем двумерную задачу, но с учетом текущих глубин, продольных и поперечных уклонов дна, а также изменения уклонов. Полученная система уравнений учитывает давление на гранях элементарного отсека, массовые и инерционные силы и силы трения. Дополняя систему уравнением распределения скоростей в затопленной струе и уравнением турбулентной диффузии, получаем окончательную систему уравнений. Решение данной системы позволяет определять концентрации загрязняющих веществ в узловых точках водоема в текущие моменты времени. При этом имеется возможность рассматривать последовательно действие нескольких разнонаправленных потоков, а также учитывать колебания уровней воды при создании искусственных попусков в водоем в периоды наибольшей рекреационной нагрузки. Имеется возможность учитывать и действие биологических факторов самоочищения водоема. Использование данной методики позволяет разработать конкретные мероприятия по улучшению экологической безопасности на малых водоемах и повысить допустимую рекреационную нагрузку.