Эстуарная циркуляция воды

Циркуляция вод эстуария контролируется притоком рек , приливами , осадками и испарением , ветром и другими океаническими явлениями, такими как апвеллинги , водовороты и штормы . На структуру циркуляции воды в эстуарии влияют вертикальное перемешивание и стратификация , и они могут влиять на время пребывания и время воздействия.

Время проживания

Время пребывания воды , особенно от стрессов , является ключевой переменной, определяющей здоровье устья вызванных деятельностью человека. не будет достаточно времени для накопления отложений или истощения растворенного кислорода Быстрая промывка гарантирует, что в устье ; таким образом, хорошо промытый устье по своей природе более устойчив, чем плохо промытый устье. ^{[ 1 ]} Время пребывания также влияет на другие параметры, такие как тяжелые металлы , растворенные питательные вещества, взвешенные вещества и цветение водорослей , которые могут повлиять на здоровье эстуариев. ^{[ 2 ]}

Простой способ рассчитать время пребывания — использовать простую классическую модель устья, которая может быть полезна для получения концептуального понимания устья, но является грубой во времени и пространстве. Классический эстуарий имеет следующие компоненты: 1) приток пресных вод с расходом $Q f$ и соленостью $S f$ (обычно $S f = 0$ ); 2) океанический приток с расходом $Q в$ и соленостью $S 0$ ; 3) сток в океан с расходом $Q out$ и соленостью $S 1$ . Приток и отток воды одинаковы, поскольку масса сохраняется. Соль также является консервантом, поэтому потоки притока и оттока солености также равны. Если не учитывать поступление грунтовых вод и испарение, уравнение непрерывности будет иметь вид:

Q в S 0 + Q f S f = Q вне S 1

Время пребывания $T$ представляет собой объем пресной воды в устье, разделенный на скорость потока реки, и может быть аппроксимировано следующим образом: ^{[ 1 ]}

Т = (Vol/ Q f)(1 - S 1 / S 0 - S f / S 0)

где Vol – общий объем воды в устье.

Время контакта

Время пребывания учитывает время, необходимое частицам воды для выхода из устья, однако некоторые частицы воды, покидающие устье во время отлива, могут повторно попасть в систему во время прилива. Время, в течение которого частица воды проводит в устье реки до тех пор, пока она никогда не вернется, называется временем воздействия . Время воздействия может быть намного больше, чем время пребывания, если частицы воды уходят с отливом и возвращаются с приливом. Отношение между количеством частиц воды, возвращающихся в устье, и количеством частиц воды, покидающих устье, известно как возврата r $коэффициент$ .

Для количественной оценки времени воздействия необходимо определить циркуляцию воды за пределами устья. Однако циркуляция вблизи устья лимана сложна из-за приливных процессов перемешивания эстуарных и океанских вод. Если берег изрезан мысами, мозаика сложных полей течения, состоящих из вихрей , струй и зон застоя, что еще больше усложнит схемы циркуляции за пределами устья. возникнет ^{[ 1 ]}

В случаях, когда речь идет о дельтах или водно-болотных угодьях, которые впадают в несколько приливных ручьев, таких как залив Миссионер в Австралии , вода, покидающая один ручей во время отлива, может попасть в другое устье во время прилива. ^{[ 3 ]} Когда задействован ряд эстуариев, произойдет большое время воздействия (больше, чем у отдельных эстуариев), если приливный сток из одного эстуария повторно попадет в другой эстуарий во время прилива. Однако вдоль изрезанной береговой линии с мысами смешивание вод эстуария и океана может быть интенсивным. Когда устьевая вода покидает устье, она смывается в прибрежные воды, поэтому время воздействия и время пребывания практически равны. ^{[ 4 ]}

В некоторых случаях можно измерить потоки объема, соли и температуры через устье устья во время приливного цикла . Используя эти данные, $1- r)$ можно рассчитать ( $( r$ – коэффициент возврата): он равен доле объема воды $V TP$ (средний объем приливной призмы), покидающей устье во время отлива, которая заменяется на прибрежные воды перед повторным входом в систему. При $r = 1$ та же вода снова поступает в устье, а при $r = 0$ устьевая вода, покинувшая устье во время отлива, заменяется прибрежными водами, поступающими в устье во время прилива. ^{[ 1 ]} Время воздействия $τ'$ оценивается по формуле:

τ' = V устье T прилива / (1- r) V TP

$Устье период$ определяется как средний объем устья, а $— T прилив$ прилива. ^{[ 5 ]}

Суммарные потоки солоноватой воды через устье реки во время приливов часто значительно превышают (часто в 10–100 раз) объемный поток речных притоков. Следовательно, если измерения неточны, оценка чистого потока будет ненадежной. Прямые измерения коэффициента возврата часто осложняются нестационарными океаническими явлениями, такими как апвеллинг, прохождение вихря или штормы, поэтому успех правильного прямого измерения коэффициента возврата редок. ^{[ 1 ]}

Вертикальное смешивание и стратификация

Время пребывания воды в устье зависит от циркуляции внутри устья, которая обусловлена разницей в плотности из-за изменений солености и температуры. Менее плотная пресная вода плавает над соленой водой, а более теплая вода плавает над более холодной водой (температура выше 4 °C). В результате приповерхностные и придонные воды могут иметь разные траектории, что приводит к разному времени пребывания.

Вертикальное перемешивание определяет, насколько соленость и температура будут меняться сверху вниз, оказывая глубокое влияние на циркуляцию воды. Вертикальное перемешивание происходит на трех уровнях: от поверхности вниз под действием сил ветра, от дна вверх за счет турбулентности, создаваемой границей (смешивание границ эстуария и океана), и внутри за счет турбулентного перемешивания, вызванного водными потоками, которые вызываются приливами, ветром и водными потоками. приток реки. ^{[ 1 ]}

В результате вертикального перемешивания возникают различные типы эстуарной циркуляции:

Соляной клин лимана

Для этих эстуариев характерна резкая граница плотности между верхним слоем пресной воды и нижним слоем соленой воды . В этой системе доминирует речная вода, и приливные эффекты играют незначительную роль в характере циркуляции. Пресная вода плавает над морской водой и постепенно разжижается по мере продвижения к морю. Более плотная морская вода движется по дну вверх по устью, образуя клиновидный слой и становясь тоньше по мере продвижения к суше. По мере того, как скоростей между двумя слоями возникает разница , силы сдвига генерируют внутренние волны на границе раздела, смешивая морскую воду вверх с пресной водой. ^{[ 6 ]} Примером может служить устье Миссисипи . ^{[ нужна ссылка ]}

Частично стратифицированный устье

По мере увеличения приливного воздействия влияние речного стока на характер циркуляции в устье становится менее доминирующим. Турбулентное перемешивание, вызванное течением, создает умеренно стратифицированное состояние. Турбулентные водовороты перемешивают толщу воды, создавая массоперенос пресной и морской воды в обоих направлениях через границу плотности. Поэтому граница раздела верхней и нижней водных масс заменяется толщей воды с постепенным увеличением солености от поверхности ко дну. Однако двухслойный поток все еще существует с максимальным градиентом солености на средней глубине. Частично стратифицированные эстуарии обычно мелкие и широкие, с большим соотношением ширины и глубины, чем эстуарии соляных клиньев. ^{[ 6 ]} Примером является Темза . ^{[ нужна ссылка ]}

Вертикально однородный лиман

В этих эстуариях приливный сток больше, чем речной сток, что приводит к хорошо перемешанному водному столбу и исчезновению вертикального градиента солености. Граница пресная-морская вода устраняется из-за интенсивного турбулентного перемешивания и вихревых эффектов. Отношение ширины к глубине вертикально однородных эстуариев велико, а ограниченная глубина создает достаточный вертикальный сдвиг на морском дне, чтобы полностью перемешать толщу воды. Если приливные течения в устье устья достаточно сильны, чтобы создать турбулентное перемешивание, часто возникают вертикально однородные условия. ^{[ 6 ]}

Фьорды

Фьорды являются примером сильно стратифицированных эстуариев; они представляют собой котловины с подоконниками и имеют приток пресной воды, значительно превышающий испаряемость. Океаническая вода поступает в промежуточный слой и смешивается с пресной водой. Полученная солоноватая вода затем выводится в поверхностный слой. Медленный приток морской воды может перетекать через подоконник и опускаться на дно фьорда (глубокий слой), где вода остается стоячей, пока ее не смоет случайным штормом. ^{[ 1 ]}

Обратный лиман

Обратные устья встречаются в засушливом климате , где испарение значительно превышает приток пресной воды. Формируется зона максимума солености, и к этой зоне приближаются к поверхности воды как речные, так и океанические воды. ^{[ 7 ]} Эта вода выталкивается вниз и распространяется по дну как в направлении к морю, так и к суше. Максимальная соленость может достигать чрезвычайно высоких значений, а время пребывания может составлять несколько месяцев. В этих системах зона максимума солености действует как пробка, препятствующая смешению эстуарных и океанических вод, так что пресная вода не достигает океана. Вода с высокой соленостью опускается в сторону моря и выходит из устья. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}

Обратные устья также встречаются во влажном климате с большим количеством осадков, где приток пресной воды в прибрежный район больше в конце устья, обращенном к морю. Примером может служить залив Саанич (фьорд) на юго-восточном побережье острова Ванкувер. Здесь приток пресной воды из рек Фрейзер и Ковичан, которые находятся поблизости и за пределами фьорда, больше, чем из более мелких рек, впадающих во фьорд. Возникающая в результате циркуляция внутри фьорда очень слабая и обычно противоположна положительной эстуарной циркуляции.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Волански, Э. (2007) «Эстуарная экогидрология». Амстердам, Нидерланды: Elsevier. ISBN 978-0-444-53066-0
^ Боллс, BW (1994) «Поступление питательных веществ в устья девяти рек восточного побережья Шотландии: влияние эстуарных процессов на поступление в Северное море». Эстуарий, Наука о прибрежных зонах и шельфе, 39, 329–352.
^ Волански, Э., Джонс, М., Бунт, Дж. С. (1980). «Гидродинамика системы приливных ручьев и мангровых болот», Австралийский журнал Marine Freshwater Research, 31, 431–450.
^ Волански, Э. Ридд, П. (1990). «Прибрежный отлов и смешивание в тропической Австралии». стр. 165-183 в Ченге, RT (ред.), Долгосрочные течения и остаточная циркуляция в эстуариях и прибрежных морях. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.
^ Макдональд, генеральный директор (2006). «Оценка коэффициента смешивания и обмена в эстуарии на основе граничных данных с применением к заливу горы Хоуп». Эстуарий, прибрежные и шельфовые науки 70, 326–322.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Кенниш, MJ (1986) «Экология эстуариев. Том I: физические и химические аспекты». Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, Inc. ISBN 0-8493-5892-2
^ Волански, Э. (1986). «Зона максимальной солености, обусловленная испарением, в тропических эстуариях Австралии» Estuarine, Coastal and Shelf Science 22, 415–424.
^ Нуньес, Р.А., Леннон, Г.В. (1986)> «Распределение физических свойств и сезонные тенденции в заливе Спенсер, Южная Австралия: обратный устье». Австралийский журнал исследований морской и пресной воды 37, 39–53.
^ деКастро, М., Гомес-Гестейра, М., Альварес, И., Прего, Р. (2004). «Отрицательная циркуляция эстуария в Риа-де-Понтеведра». Эстуарий, прибрежные и шельфовые исследования 60, 301–312.

[Wolanski-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Волански, Э. (2007) «Эстуарная экогидрология». Амстердам, Нидерланды: Elsevier. ISBN 978-0-444-53066-0

[Balls-2] Боллс, BW (1994) «Поступление питательных веществ в устья девяти рек восточного побережья Шотландии: влияние эстуарных процессов на поступление в Северное море». Эстуарий, Наука о прибрежных зонах и шельфе, 39, 329–352.

[3] Волански, Э., Джонс, М., Бунт, Дж. С. (1980). «Гидродинамика системы приливных ручьев и мангровых болот», Австралийский журнал Marine Freshwater Research, 31, 431–450.

[4] Волански, Э. Ридд, П. (1990). «Прибрежный отлов и смешивание в тропической Австралии». стр. 165-183 в Ченге, RT (ред.), Долгосрочные течения и остаточная циркуляция в эстуариях и прибрежных морях. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.

[5] Макдональд, генеральный директор (2006). «Оценка коэффициента смешивания и обмена в эстуарии на основе граничных данных с применением к заливу горы Хоуп». Эстуарий, прибрежные и шельфовые науки 70, 326–322.

[Kennish-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Кенниш, MJ (1986) «Экология эстуариев. Том I: физические и химические аспекты». Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, Inc. ISBN 0-8493-5892-2

[7] Волански, Э. (1986). «Зона максимальной солености, обусловленная испарением, в тропических эстуариях Австралии» Estuarine, Coastal and Shelf Science 22, 415–424.

[8] Нуньес, Р.А., Леннон, Г.В. (1986)> «Распределение физических свойств и сезонные тенденции в заливе Спенсер, Южная Австралия: обратный устье». Австралийский журнал исследований морской и пресной воды 37, 39–53.

[9] деКастро, М., Гомес-Гестейра, М., Альварес, И., Прего, Р. (2004). «Отрицательная циркуляция эстуария в Риа-де-Понтеведра». Эстуарий, прибрежные и шельфовые исследования 60, 301–312.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]