Численное моделирование гидрофизических и биогеохимических процессов во время развития термобара в глубоком озере с учетом динамики растворенного кислорода

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-71-10020

НазваниеЧисленное моделирование гидрофизических и биогеохимических процессов во время развития термобара в глубоком озере с учетом динамики растворенного кислорода

Руководитель Цыденов Баир Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-219 - Математическое моделирование в науках о Земле и проблемах окружающей среды

Ключевые слова математическое моделирование, термобар, температура максимальной плотности, растворенный кислород, озерная гидродинамика, озерная гидробиология, озеро Байкал

Код ГРНТИ27.35.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Прогрессирующая антропогенная нагрузка ведет к негативным изменениям экосистем крупнейших водоемов планеты. В частности, в озере Байкал в последние годы отмечалось массовое развитие чужеродных нитчатых водорослей, которое связано с городскими бытовыми и промышленными стоками с высоким содержанием биогенных элементов. К числу природных явлений, способствующих аккумулированию планктона, частиц мусора и прочих загрязнителей в прибрежной части водоема, относится термобар, возникающий в периоды весеннего прогревания и осеннего охлаждения водоема в силу специфики пресной воды – аномальной зависимости плотности от температуры. При этом вертикальные потоки, формирующиеся на месте термобара, благоприятствуют переносу кислорода (важнейшего элемента, участвующего в жизненном цикле гидробионтов, процессах окисления органических примесей и самоочищения водных систем) в глубоководную зону. Проект направлен на создание интегративной математической модели для воспроизведения гидрофизических и биогеохимических процессов во время развития термобара в глубоком озере с учетом динамики растворенного кислорода. Модель будет включать в себя такие переменные, как кислород, нитрат, аммоний, фосфат, хлорофилл а, фитопланктон, зоопланктон, детрит крупного и мелкого размера. Согласно предложенной модели циркуляция растворенного кислорода в водоеме будет осуществляться через кислородный обмен с атмосферой, биогеохимические процессы и физический перенос. Впервые методами численного моделирования будет исследовано влияние весеннего и осеннего термобара на транспорт кислорода в глубоком озере. Кроме того, будут изучены эффекты внешних факторов, ответственных за вентиляцию глубинных вод озера Байкал. Комплексные знания об экосистемных процессах и механизмах обновления вод в глубоком озере могут найти свое применение в разработке технологии мониторинга качества воды, принятии мер по предотвращению и ликвидации загрязнения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Амзаракова А.В., Михайлов М.Д. Применение капельного биофильтра при численном моделировании процесса самоочищения сточных вод в двумерном приближении Всероссийская конференция по математике и механике. Посвящается 145-летию Томского государственного университета и 75-летию механико-математического факультета: 2–5 октября, 2023 г., г. Томск : сборник материалов конференции, С. 65-68. (год публикации - 2023)

2. Цыденов Б.О. Математическое моделирование кислородного обмена между атмосферой и озером во время развития термобара Сборник докладов международной научной конференции «Пятые Виноградовские чтения. Гидрология в эпоху перемен». СПб.: Изд-во ВВМ, С. 609-613. (год публикации - 2023)

3. Амзаракова А.В., Михайлов М.Д. Numerical modeling of the wastewater self-purification process in a two-dimensional approximation using biofilters E3S Web Conf., V. 480, 02011 (год публикации - 2024)
10.1051/e3sconf/202448002011

4. Цыденов Б.О. Математическая модель транспорта растворенного кислорода при развитии термобара Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, № 86, С. 176–187 (год публикации - 2023)
10.17223/19988621/86/14

5. Цыденов Б.О., Трунов Н.С., Чуруксаева В.В., Деги Д.В. Wind effects on deep convection in Lake Baikal during the autumnal thermal bar Moscow University Physics Bulletin, Vol. 79, No. 2, pp. 283–290 (год публикации - 2024)
10.3103/S0027134924700280

6. Цыденов Б.О. Численное моделирование переноса растворенного кислорода в водоеме при развитии термобара Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2024. М.: Издательство Московского университета, С. 120 (год публикации - 2024)

7. Стребкова Е.А., Барт А.А., Цыденов Б.О. Agglomerative approach to the analysis of wind regime over Lake Baikal during the existence of the autumnal thermal bar E3S Web of Conf., Vol. 539. Art. num. 01036 (год публикации - 2024)
10.1051/e3sconf/202453901036

8. Цыденов Б.О., Деги Д.В., Барт А.А., Трунов Н.С., Чуруксаева В.В. Математическая модель динамики биогеохимических процессов в пресноводном озере с учетом кислорода при развитии термобара Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, № 93, С. 41–57 (год публикации - 2025)
10.17223/19988621/93/4

9. Цыденов Б.О., Чуруксаева В.В., Трунов Н.С., Барт А.А., Деги Д.В. The impact of tributary mineralization on deep-water renewal in Lake Baikal during the thermal bar Water, 17(9), 1315 (год публикации - 2025)
10.3390/w17091315

10. Цыденов Б.О., Барт А.А., Деги Д.В., Чуруксаева В.В., Трунов Н.С. Features of changes in the concentrations of nutrients and plankton at the thermal bar: A numerical experiment Limnology and Freshwater Biology, No. 4. P. 1115-1120. (год публикации - 2024)
10.31951/2658-3518-2024-A-4-1115

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном году построена адаптированная к весенне-летним гидрологическим и метеорологическим условиям озера Байкал (на примере характеризующегося большими глубинами разреза р. Болдакова – прол. Малое Море) версия 2.5D негидростатической математической модели для воспроизведения биогеохимических процессов в глубоком водоеме. Результаты численного моделирования показали высокую концентрацию растворенного кислорода, фито- и зоопланктона в следующих областях: 1) в верхнем слое озера – в приустьевой зоне, 2) в глубоководной толще озера – над подводным склоном. Повышенное содержание кислорода также отмечалось в поверхностном слое теплоинертной области, что связано с поступлением атмосферного кислорода в водоем под воздействием ветра. Кроме того, проведены численные исследования эффектов тепловых потоков и минерализации речного стока, результаты которых свидетельствуют о том, что 1) переменный тепловой поток, по сравнению с постоянным тепловым потоком, оказывает большее влияние на вертикальный транспорт биогенных элементов и планктона в области термобара; 2) вследствие внутрисуточного колебания коротковолновой радиации и смены направления ветра скорость горизонтального движения термобара носит изменчивый характер; 3) чем больше минерализация речного притока, тем быстрее идет распространение вод с высоким содержанием растворенного кислорода и планктона в глубь озера, причем наиболее активный транспорт кислорода в нижние слои происходит на месте термобара. Получены данные о роли ветра в насыщении воды кислородом в период весеннего прогревания водоема. Усиление ветра приводит к 1) повышению концентрации растворенного кислорода в водоеме; 2) смещению области максимальной концентрации кислорода в сторону открытого озера; 3) активному насыщению воды кислородом на месте термобара в начальной стадии его развития.

Публикации