Водные ресурсы, 2022, T. 49, № 5, стр. 596-607

ВВЕДЕНИЕ

Устьевая область р. Дон относится к эстуарно-дельтовому типу с многорукавной дельтой выполнения и полузакрытым отмелым устьевым взморьем. Устьевая область Дона состоит из устьевого участка реки длиной 150 км, включающего дельту длиной 38 км, и устьевого взморья протяженностью 140 км [7].

Вершиной устьевой области и устьевого участка реки считают ст. Раздорскую, выше которой нагонные колебания уровня не распространяются.

Вершина дельты Дона лежит в 6 км ниже Ростова-на-Дону, где от Дона отделяется вправо маловодный рук. Мертвый Донец. Схема основных рукавов и протоков дельты р. Дон приведена на рис. 1. Правобережная часть дельты представляет собой район с почти отмершей сетью внутридельтовых водотоков (ериков) и искусственными водоемами в дельте. Левобережная часть характеризуется устойчивой системой крупных транзитных водотоков и отмиранием внутридельтовых водотоков [10].

В районе ст. Елизаветинской основное русло Дона делится на два рукава дельты: левый – Старый Дон (около одной трети стока Дона) и правый – Большая Каланча (около двух третей стока Дона).

Ниже хут. Донскогo рук. Старый Дон разветвляется на протоки: Мериново, Песчаный, Кривой, Свиной. Основным продолжением Старого Дона служит углубленный для целей судоходства проток Песчаный, являющийся частью Азово-Донского судоходного канала [7]. Трасса канала проходит по Дону, Старому Дону, протоку Песчаному, прорезает устьевой бар и выходит в южную часть Таганрогского залива [13]. Глубина канала на баре и в мелководной части залива составляет ~4 м.

Рукав Большая Каланча в районе хут. Рогожкино делится на рукава: левый – Мокрая Каланча и правый – Большая Кутерма (около половины стока Дона), продолжение которого – рук. Переволока – имеет относительно глубоководный выход в залив. Прочие рукава дельты в своем естественном состоянии в местах выхода в Таганрогский залив имеют очень мелководные устьевые бары [7].

Устьевое взморье – Таганрогский залив Азовского моря, средняя глубина залива составляет ~5 м [13]. Морская граница устьевой области и устьевого взморья – прол. Должанский, находящийся между блокирующими Таганрогский залив косами Белосарайской и Долгой [7].

В рельефе дна устьевого взморья выделяются гирла и устьевой бар. Гирла представляют собой естественные подводные борозды, сформированные речным потоком при выходе на взморье. Хорошо выраженные гирла имеют только наиболее крупные рукава и протоки дельты: Переволока, Мокрая Каланча, Сухая Каланча и Мериново, через которые сбрасывается до 70% годового стока Дона. Гирла этих рукавов отчетливо выражены в рельефе дна взморья с глубинами по фарватеру 1.5–2.5 м. Даже в межень поток воды по руслам гирл сохраняется на протяжении 3–4 км от морского края. Наиболее крупное и глубокое (2–2.5 м) – гирло рук. Переволоки – Егурча. В северной части взморья имеется единственное гирло – Широкое – общее гирло Мертвого Донца и Средней Кутермы [12].

Общий устьевой бар Дона представляет собой совокупность ряда мелких баров (отмелей в руслах гирл) и приустьевых кос, размеры которых определяются водоносностью того или иного рукава дельты. Маловодные протоки дельты не могут прорезать бар Дона и выработать гирла [12].

Стоковые колебания уровня в дельте Дона и на устьевом взморье, вызванные сезонным изменением водности реки, невелики. Особенности гидрологического режима дельты и устьевого взморья определяются сгонно-нагонными явлениями. Сочетание стоковых колебаний уровня со сгонно-нагонными колебаниями создает в устьевой области Дона весьма сложную гидродинамическую структуру, существенно усложняя режим уровней и уклонов.

Явление сгонов и нагонов связано с направлением, скоростью и продолжительностью ветра, зависящего от особенностей атмосферной циркуляции и барометрического режима в регионе, с топографией дна Таганрогского залива и гирл, а также с расходом воды р. Дон [11].

Характерная особенность атмосферной циркуляции в районе Азовского моря – воздействие сибирского антициклона в холодный период года, обусловливающее ветра восточных и северо-восточных направлений, тогда как весной и летом усиливается влияние азорского антициклона, обусловливающее ветра западных и юго-западных румбов [4, 12].

Преобладающие направления ветра определяют характерные особенности режима сгонно-нагонных колебаний. Для устьевой области Дона нагонные ветра – западных румбов, а сгонные – восточных. При этом отмечается преобладание ветров сгонных направлений. В результате повторяемость сгонов здесь составляет 42, а нагонов – 36% [13, 14].

Диапазон сгонно-нагонных колебаний уровня на взморье Дона обусловлен мелководностью восточной части Таганрогского залива и большой силой и повторяемостью ветров, направление которых совпадает с осью залива. При сильных нагонах почти вся площадь дельты Дона покрывается водой. При сильных и продолжительных сгонных ветрах осушается вся придельтовая мелководная полоса устьевого взморья, вода вытесняется из восточной части Таганрогского залива до Петрушинской косы (к З от Таганрога) [12].

Наибольшие нагоны в заливе отмечаются в марте–апреле и октябре–ноябре, а сгоны – в феврале–мае и сентябре–декабре [7]. Продолжительность сильных сгонов в Таганроге меняется от 3 до 17 сут, продолжительность сильных нагонов – от 12 ч до 3 сут. При этом преобладают сгоны продолжительностью 3–8 сут и нагоны 0.5–1 сут. Наибольшие нагоны в Таганрогском заливе составляют 2.5–4 м, сгоны – 3–3.5 м [10].

В период сгона в нижней части дельты резко сокращается доля стока мелководных рукавов – Мертвого Донца, Мериново, Мокрой Каланчи и большинства малых водотоков, столь же заметно возрастает доля стока наиболее глубоких рукавов [7]. Непосредственная связь мелких рукавов дельты с морем прекращается, течение сохраняется только в гирлах крупных рукавов, которые превращаются в незначительные протоки глубиной 0.5–1 м [12]. При понижении уровня основным фактором в перераспределении стока выступает высота баровой отмели [13]. При дальнейшем развитии сгона уровень в крупных рукавах продолжает понижаться, а в устьях мелких рукавов он устанавливается сначала на отметках осохших устьевых баров, а затем возникает обратный уклон и начинается сток вод в крупные рукава [12]. В результате практически весь сток Дона поступает в Таганрогский залив по двум основным направлениям: Старый Дон – Песчаный и Большая Каланча – Большая Кутерма – Переволока. Остальные же рукава перекрываются в своих устьях обнажающимися мелководными барами [7]. При экстремально сильных сгонах сток полностью сосредотачивается в системе Старый Дон – Песчаный, а водотоки в центральной и северной части дельты отчленяются от Таганрогского залива [5, 6].

После прекращения сильного сгонного или нагонного ветра образовавшаяся денивеляция уровня вызывает его сейшеобразные колебания с периодом ~1 сут. Эти колебания поддерживает ветер, имеющий такую же периодичность смены направлений [13]. Период затухания этих колебаний меняется от 2 до 8 сут [4].

Резкие колебания уровня, возникающие вследствие сгонно-нагонных явлений, оказывают негативное воздействие на судоходство. При интенсивных сгонах возможно падение уровня воды ниже критических отметок, что приводит к несоблюдению требований гарантированных глубин на судовом ходу. Низкие уровни воды также негативно сказываются на работе водозаборных сооружений, оголовки которых ориентированы на определенный проектный уровень. В случае возникновения нагонных явлений происходит катастрофический рост уровня воды, что приводит к рискам возникновения материального ущерба вследствие затопления прибрежных территорий и объектов хозяйственной и социальной инфраструктуры.

Очевидно, что уровень воды – один из важнейших гидрологических параметров, прогнозирование которого будет иметь комплексный эффект в части обеспечения возможностей планирования прохождения судов по участкам судового хода с критическими глубинами, обеспечения устойчивого функционирования водохозяйственной инфраструктуры и в части снижения вредного воздействия вод.

В свете необходимости обеспечения устойчивого функционирования водохозяйственного комплекса Нижнего Дона, с учетом требований водного транспорта в период навигации краткосрочный прогноз уровня представляется одной из наиболее актуальных задач гидрометеорологического обеспечения. Один из перспективных способов решения поставленной задачи – использование методов гидродинамического моделирования. В настоящее время известнo несколько примеров решения задач диагноза и прогноза уровня Азовского моря и р. Дон методами гидродинамического моделирования.

Хорошо известны работы, целевым образом направленные на обеспечение водохозяйственных задач в устьевой области Дона [1–3]. Авторы этих работ сосредоточили внимание на создании гидродинамических моделей речной части с целью выполнения диагностических и сценарных расчетов и оценки скорости течения, расходов и уровней воды в русле.

Другая группа моделей может быть условно отнесена к категории морских, цель которых – диагноз и прогноз динамики вод Азовского моря и Таганрогского залива [15–18].

Отдельно следует упомянуть разработанный в Южном научном центре РАН программный комплекс для прогноза уровней затоплений при нагонах, работающий в оперативном полуавтоматическом режиме в случаях, когда потенциальная скорость ветра с западной составляющей превышает критические значения [22]. В его основе – модель гидродинамики Азовского моря [19, 20] и гидродинамическая модель дельты Дона, построенная на базе ПК HEC-RAS [21].

Оценивая технологический уровень известных разработок, следует особо отметить действующую в ГОИНе технологию диагноза и прогноза на 3 сут скорости течений, уровня моря, температуры и солености морской воды, а также характеристик морского льда с пространственным разрешением 0.5 км для Азовского моря. Технология основана на расчете гидротермодинамики Азовского моря с помощью модели морской циркуляции INMOM (Institute of Numerical Mathematics Ocean Model). Для учета атмосферного воздействия в модели используются прогностические метеорологические характеристики, рассчитываемые над акваторией Азовского моря по региональной атмосферной модели WRF (Weather Research and Forecast Model) [17]. Поскольку, как отмечено выше, процесс формирования экстремальных уровней воды в устьевой области Дона определяется атмосферным воздействием, можно предположить, что наличие в рамках технологического комплекса прогностической региональной модели атмосферы будет давать определенные преимущества по сравнению с другими решениями.

В настоящее время в ГОИНе поставлена задача интегрировать технологию моделирования гидродинамической структуры Азовского моря и гидродинамическую модель устьевого участка р. Дон с целью наладить оперативный режим прогнозирования заданных параметров в навигационный период. Для решения поставленной задачи разработан расчетно-модельный комплекс (РМК) Дон-модель, предназначенный для выполнения диагностических и прогностических расчетов положения уровенной поверхности, скоростей течения и расходов воды в русле Дона в пределах заданной расчетной области. Прогноз гидродинамической структуры устьевой области на РМК Дон-модель проводится с суточной заблаговременностью. Основной результат расчета – информация об уровнях воды в судоходном рукаве р. Дон на следующие сутки с дискретностью 1 ч.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В основе РМК Дон-модель – гидродинамическая модель устьевой области р. Дон. Модель создана с использованием программного комплекса для гидродинамического моделирования DELFT-3D, разработанного независимым нидерландским институтом прикладных исследований в сфере поверхностного и подземного стока “Deltares” [23]. Программный комплекс DELFT-3D – интегрированная среда для моделирования гидродинамических характеристик в реках и устьевых областях, мелких морях и их прибрежных зонах. Расчетный модуль DELFT3D-FLOW основан на решении нестационарных уравнений мелкой воды.

В качестве исходных данных для моделирования используется цифровая модель рельефа (ЦМР), созданная на основе цифровых топографических карт М 1 : 25 000, морских навигационных карт масштаба 1 : 50 000 для восточной части Таганрогского залива и масштаба 1 : 10 000 для судоходных рукавов дельты Дона и устьевого участка до г. Аксай, речных лоций из Атласа единой глубоководной системы Европейской части РФ и данных экспедиционных работ.

Для описания расчетной области создана криволинейная сетка с переменным шагом, которая позволяет выполнять вычисления с разной степенью подробности в различных районах. Общее число ячеек сетки – 427 780. Максимальное число ячеек сетки в продольном направлении (по оси х) – 1086, в поперечном (по оси у) – 510. Характерные размеры ячеек: на морском крае дельты – 300–400 м по оси х, 50–100 м по оси у; в русловой части и на пойме – 20–50 м по оси х, 10–50 м по оси у. При подготовке гидродинамической модели проведен пересчет отметок высот/глубин с ЦМР в узлы расчетной сетки. Вычисление прогностических параметров осуществляется в каждом узле расчетной сетки. При необходимости возможно построение прогноза в любой точке расчетной области.

В настоящее время верхний створ расчетной области расположен в районе г. Аксай, нижний створ проходит по устьевому взморью в 2 км от морского края дельты (рис. 2).

В качестве начальных условий при прогнозе на следующие сутки задается расход воды, равный ежедневному расходу на гидрологическом посту (ГП) Раздорская на дату наблюдений. В качестве граничных условий задаются спрогнозированные уровни моря на следующие сутки в узлах расчетной сетки на морской границе, интегрированные из модели циркуляции Азовского моря. При расчетах используется суточный прогноз скорости и направления ветра (с интервалом в 1 ч) в районе морского края дельты: в пределах расчетной области характеристики принимаются однородными.

Результаты расчета уровней воды формируются для контрольных точек в русле судоходного рукава р. Дон на ГП Аксай, ГП Ростов-на-Дону, ГП Азов, а также для контрольной точки в районе трассы Азово-Донского судоходного канала на морской границе расчетной области (рис. 2).

Первичная разработка, проектирование и создание гидродинамической модели устьевой области р. Дон в рамках РМК Дон-модель проводились в 2018–2019 гг., выполнялись тестовые сценарные расчеты и диагностические расчеты для отдельных фактических ситуаций. В 2020–2021 гг. проведена опытная эксплуатация модели совместно с отделом гидрологических прогнозов (ОГП) Ростовского гидрометцентра Северо-Кавказского УГМС. В ходе опытной эксплуатации выполнена проверка работоспособности программно-технологического комплекса, налажен и автоматизирован процесс передачи данных, необходимых для расчетов и проверки их качества, обеспечена оперативная доставка прогноза потребителям. В 2021 г. запущены прогностические расчеты, которые проходили в оперативном режиме в безледный период апрель–ноябрь.

Оценка достоверности выполняемых прогностических расчетов проведена согласно “РД 52.27.759–2011 Наставление по службе прогнозов” [9] на основе сравнения с фактическими уровнями воды в контрольных точках.

За допустимую ошибку δ_доп прогноза уровня принимается величина, равная ± 0.674σ_Δ, σ_Δ − среднее квадратичное отклонение изменения уровня от нормы изменения уровня в данном пункте за период заблаговременности прогноза [9].

Среднее квадратичное отклонение приращения уровня σ_∆h рассчитывается на основе фактических приращений уровня за время заблаговременности по формуле [9]:

где ∆h – изменение уровня за интервал времени, равный заблаговременности прогноза; $~\bar {\Delta }\bar {h}$ − среднее значение этих изменений для данной станции или поста; n – длина ряда наблюдений.

Прогноз считается оправдавшимся, если ошибка прогноза δ ≤ δ_доп. Общая оправдываемость прогнозов выражается процентным отношением числа оправдавшихся прогнозов к общему числу прогнозов [9].

Для проведения оценки качества прогноза использованы данные наблюдений за уровнем р. Дон на ГП Азов, ГП Ростов-на-Дону, ГП Аксай, а также данные наблюдений за уровнем Азовского моря на МГП Таганрог, переданные ОГП Ростовского гидрометцентра Северо-Кавказского УГМС. Заблаговременность прогноза уровней – сутки.

Для вычисления величины среднего квадратичного отклонения приращения уровня σ_∆h от нормы изменения уровня в пункте наблюдений за сутки использованы все наблюденные значения на постах. В 2021 г. получены данные по всем постам как в стандартные сроки наблюдений, так и в дополнительные сроки наблюдений, когда во время прохождения значимых сгонов и нагонов проводятся учащенные измерения уровней [8]. Кроме того, получены ежечасные данные с автоматических гидрологических комплексов (АГК) на ГП Азов и ГП Ростов-на-Дону, что позволило расширить выборку и провести более точную оценку достоверности прогноза.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 приведены результаты оценки оправдываемости прогноза уровней воды в контрольных створах, полученные по результатам расчетов на РМК Дон-модель для периода апрель–ноябрь 2021 г. На основе сопоставления с данными МГП Таганрог в табл. 1 также представлена оценка оправдываемости прогноза уровня моря, рассчитанного по модели циркуляции Азовского моря.

Оправдываемость прогноза уровней за период опытной эксплуатации в 2021 г. для всех постов составляет в среднем ~65%. Причем для периода апрель–август средняя оправдываемость составляет 85%, а для периода сентябрь–ноябрь она резко снижается до 50–20%.

Средние ошибки прогноза уровней находятся в диапазоне 10–15 см для апреля–августа и 13–20 см для сентября при допустимых ошибках 18–21 см исходя из естественной суточной изменчивости уровней в контрольных створах. Осенью качество прогноза снижается. Для октября и ноября среднемесячные отклонения превышают допустимые ошибки на всех постах и составляют 23–30 см.

Ряд погрешностей прогноза уровней воды судоходного рукава р. Дон связан с точностью прогноза уровня моря, используемого в качестве граничного условия на нижней границе расчетной области. Отмечено, что существует недоучет экстремальных значений в период сгонно-нагонных и сейшеобразных колебаний уровня моря, а также периодические систематические отклонения среднего спрогнозированного уровня моря от фактического. Поскольку модель циркуляции Азовского моря рассчитывает отклонение уровня моря от невозмущенной поверхности [17], требуются дополнительные исследования вопроса привязки спрогнозированных уровней Азовского моря к Балтийской системе (БС) высот.

На рис. 3 отображены рассчитанные отклонения спрогнозированных уровней от наблюденных значений в сравнении с допустимой ошибкой за период опытной эксплуатации. Максимальные ошибки прогноза уровней в конкретные сроки достигают 0.5–0.7 м в апреле–сентябре, а в октябре–ноябре доходят до 0.8–1 м.

Сравнение результатов моделирования с натурными данными на примере июня приведено на рис. 4. При достаточно хорошем в среднем совпадении прогнозируемых и фактических уровней моря после сгонно-нагонной волны с амплитудой 0.6 м 1–6 июня наблюдаются сейшеобразные колебания уровня моря 7–14 июня, которые не воспроизводятся моделью морской циркуляции. Во второй половине месяца сгонно-нагонные колебания уровня моря воспроизводятся с недоучетом экстремальных значений. Соответствующие ошибки наблюдаются и в речной части.

Существенный вклад в средние ошибки прогноза уровней внесли осенние месяцы. В этот период в спрогнозированных уровнях моря постепенно накапливалась систематическая ошибка, завышающая расчетные уровни в октябре–ноябре в среднем на 28 см по сравнению с данными МГП Таганрог, что предопределяет ошибки расчета уровней в речной части (табл. 1). Это хорошо заметно на рис. 3 в величинах отклонений спрогнозированного уровня моря от фактических значений.

В конце сентября – начале октября наблюдался сильный продолжительный сгон со снижением отметок уровня в Таганроге до –2.2 м БС. Уровень моря, согласно прогнозу, опустился до минимальной отметки –1.6 м БС. На рис. 5 показано сравнение результатов моделирования уровней с натурными данными в период сгона. Ошибки прогноза уровней в речной части зачастую оказываются больше, чем ошибки в морской модели.

По результатам моделирования падение уровней воды ниже отметки –0.6 м БС в речной части замедляется, тогда как по фактическим данным это происходит при отметках –1.2 м БС. Минимальная отметка смоделированного уровня в Азове достигает –1.05 м БС, тогда как минимальная наблюденная отметка составляет –1.63 м БС.

Основной причиной несоответствия результатов расчета сгона следует признать недостаточную подробность цифровой модели рельефа, на основе которой выполняются расчеты. Степень соответствия используемой ЦМР фактическим отметкам высот/глубин в области расчетов в значительной мере влияет на качество прогноза, поскольку особенности рельефа определяют основные закономерности движения потока.

На спутниковых снимках [24] видно, что основные рукава и протоки прорезают устьевой бар, однако в модели гидравлическая связь между основными рукавами дельты р. Дон и водами Таганрогского залива выражена недостаточно точно (рис. 6).

Модель адекватно определяет отшнуровывание протоков Мериново и Сухая Каланча. Сток сохраняется в гирле Егурча – продолжении рук. Переволока, и в Азово-Донском морском судоходном канале – продолжении протока Песчаного. Однако на ЦМР недостаточно проработано гирло Широкое, принимающее воды Мертвого Донца и Средней Кутермы, а также гирло Мокрой Каланчи. Отметки устьевого бара в центральной и южной частях предустьевого взморья вблизи морского края дельты явно занижены на ЦМР.

Перспективным представляется уточнение ЦМР устьевой области, в частности русловой сети рукавов и проток нижней дельты, их гирл, а также устьевого бара. Чтобы достичь требуемой точности выполнения расчетов, необходимо проведение дополнительных промерных работ на участке сопряжения морской и речной частей.

Помимо точности исходных данных об отметках дна, на правильное распределение стока может влиять качество расчетной сетки. Локальное усовершенствование расчетной сетки с целью ее большей согласованности с направлением потока позволит повысить качество описания в модели извилистых рукавов дельты.

Сопоставление пространственных данных (рис. 6) показывает, что положение нижней границы расчетной области влияет на корректность прогноза уровней во время экстремальных сгонов. Целесообразным представляется ее отнесение к Петрушинской косе, куда распространяются самые сильные сгоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная автоматизированная технология подготовки и выпуска прогноза уровней в судоходном рукаве р. Дон – РМК Дон-модель – успешно функционирует в составе комплексной технологии прогноза уровня Азовского моря. На протяжении >6 мес. непрерывной работы результаты расчетов передавались в ОГП Ростовского гидрометцентра.

В период опытной эксплуатации в 2021 г. оправдываемость прогноза уровней в среднем для всех постов составила ~65%, сохраняя стабильную среднюю оправдываемость 85% в апреле–августе и снижаясь в осенние месяцы.

Основные направления повышения качества прогноза уровня следующие:

1) уточнение ЦМР в пределах расчетной области;

2) усовершенствование расчетной сетки для более качественного описания как основного судоходного рукава, так и протоков дельты р. Дон;

3) расширение границ области моделирования: нижней границы – в направлении морской границы устьевого взморья, верхней границы – в направлении вершины устьевого участка реки;

4) продолжение работ по совершенствованию модели и повышению оправдываемости прогнозов, особенно для случаев экстремальных сгонно-нагонных явлений.

Сгонно-нагонные явления имеют определяющее влияние на гидрологический режим устьевой области р. Дон, а их экстремальные проявления влияют на безопасность и развитие хозяйственной деятельности. Экстремальные нагоны могут вызывать затопление территорий, а сгоны – ограничивать судоходство и водоснабжение. Именно для случаев сгонов и нагонов ОГП Ростовского гидрометцентра выпускает штормовые предупреждения. Особую актуальность краткосрочный прогноз уровня воды в судоходном рукаве р. Дон имеет для организаций, обеспечивающих навигацию, особенно в условиях экстремальных сгонов.

Перспективы развития РМК Дон-модель в составе комплексной технологии прогноза уровня Азовского моря связаны с внедрением разработанной автоматизированной технологии в качестве консультативного метода прогноза уровня в ОГП Ростовского гидрометцентра, а также с доступностью оперативной информации для организаций, осуществляющих морскую деятельность в зоне действия прогностической модели.

Разработанная технология краткосрочного прогноза уровней воды в устьевой области р. Дон может служить первым этапом серии работ, направленных на создание прогностических методов различной заблаговременности. Кроме того, работа по созданию современной гидродинамической модели устьевой области может стать одним из важных элементов комплексной системы диагноза и прогноза состояния водных объектов, объединяющих устьевой участок р. Дон, Таганрогский залив и Азовское море. Такая комплексная система позволит давать обоснованные оценки возможного развития гидрологической ситуации в регионе Нижнего Дона и разрабатывать систему адаптационных мероприятий.

Авторы выражают благодарность сотрудникам Ростовского гидрометцентра Северо-Кавказского УГМС за активное участие в процессе обмена информацией и оперативное предоставление данных наблюдений.