The Experience in Drone Use to Evaluate the Coefficients of Turbulent Diffusion in Small Water Bodies

A. P. Lepikhin; Лепихин А. П.; Yu. S. Lyakhin; Ляхин Ю. С.; A. I. Lucnikov; Лучников А. И.

doi:10.31857/S0321059623020116

The Experience in Drone Use to Evaluate the Coefficients of Turbulent Diffusion in Small Water Bodies

作者: Lepikhin A.P.¹, Lyakhin Y.S.¹, Lucnikov A.I.²
隶属关系:
1. Perm Federal Research Center, Ural Branch, Russian Academy of Sciences (PFRC UB RAS), 614015, Perm, Russia
2. Kama Branch, Russian Research Institute for Integrated Use and Protection of Water Resources, 614002, Perm, Russia
期: 卷 50, 编号 2 (2023)
页面: 139-149
栏目: ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
URL: https://bakhtiniada.ru/0321-0596/article/view/134846
DOI: https://doi.org/10.31857/S0321059623020116
EDN: https://elibrary.ru/IJVBBM
ID: 134846

如何引用文章

全文:

开放存取

##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问

订阅存取

详细
作者简介
参考
补充文件
统计

详细

Small lakes and reservoirs located in the zone of active technogenesis are subject to the risk of various emergency situations. The present-day computer technologies, including hydrodynamic computation modules, can be used to effectively estimate and forecast their consequences with the aim to minimize the adverse effect. These models require evaluating the coefficients of horizontal diffusion. The theoretical analysis of such processes is very difficult because of their specifics. Studies aimed at evaluating these coefficients in Russia and other countries are very few, even under the assumption of their homogeneity and isotropy. The modern measurement technologies involving the use of pilotless vehicles, make such studies much simpler. The article discusses the significance of such studies, the technology of their performance, and the results obtained for the Verkhne-Zyryansk Reservoir. A field experiment with the use of eight floats yielded an average estimate of the coefficient of horizontal turbulent diffusion equal to 0.012 m2/s. The specific features of the obtained results are discussed.

关键词

coefficient of horizontal diffusion, pilotless vehicle, field experiment, Lagrangian approach, reservoir

参考

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.
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.
Журбас В.М., Лыжков Д.А., Кузьмина Н.П. Оценка коэффициентов бокового перемещения по данным дрифтеров // Океанология. Т. 15. № 3. 2014. С. 309–317.
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.
Знаменский В.А. Гидрологические процессы и их роль в формировании качества воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 248 с.
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.
Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // ДАН СССР. Т. 30. № 4. 1941. С. 299–303.
Лабзовский Н.А. Турбулентная диффузия в озерах // Изменчивость гидрофизических полей в озерах. Л.: Наука, 1978. С. 117–146.
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.
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.
Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод // Под ред. А.В. Караушева. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 176 с.
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.
Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 278 с.
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.
Правила использования водных ресурсов Верхне-Зырянского и Нижне-Зырянского водохранилищ. Екатеринбург: РосНИИВХ, 2021. 75 с.
Течения и диффузия вод Байкала // Тр. Лимнол. ин-та СО АН СССР. 1970. Т. 14/34. 214 с.
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
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
Berger R.C., Tate J.N., Brown G.L., Savant G. Adaptive Hydraulics (AdH) Version 4.5. // Hydrodynamic User Manual. 2015.
Delft 3D-Flow Simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomena, including sediments User Manual. Delft Deltares. 2011. 672 p.
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.
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
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
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
Okubo A. Some remarks on the importance of the “Shear effectˮ on horizontal Jusion // Oceanogr. 1968. №. 24. P. 60–69.
Okubo A. Some speculation on oceanic diffusion diagrams. Rapp. P.-V. Reun. Cons. Int. Explor. Mer. 1974. V. 167. P. 77–85.
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.
Pal K.P., Murthy R., Thomson R.E. Lagrangian measurements in Lake Ontario // Lakes Res. 1998. V. 24. P. 681–697.
Peeters F. Horizontale Mischung in Seen (Horizontal mixing in lakes) // Ph. D. Thesis. Zurich: Eidgenossische Technische Hochschule, 1994. 147 p.
Peeters F., Wues A., Piepke G., Imbode D. Horizontal mixing in lakes // J. Geophys. Res. Oceans. 1996. V. 101. P. 361–375.
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.
Reference Manual “River Flow 2D Two-Dimensional River Dynamics Modelˮ. Hydronia LLC. 2016. 21 p.
Richardson L.F., Strommel H. Note on eddy diffusion in the Sea // J. Meteorol. 1948. V. 5. P. 238–240.
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.
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.
Strommel H. Horisotal diffusion due to oceanic turbulence // J. Marine Res. 1949. V. 8. № 3. P. 199–225.
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
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.