Целью исследования является получение нового знания о годовом цикле термического режима, процессов перемешивания и переноса примеси в мелководном бореальном озере при различных гидрометеорологических условиях.

Предполагаемые научные результаты:

2019: Количественные оценки скоростей переноса и интенсивности перемешивания в озере Вендюрском – типичном мелководном карельском озере – в периоды открытой воды и ледостава (в том числе в период весенней подледной конвекции). Параметризация тепловых потоков на границе вода-дно и вода-лед в период ледостава, а также в малоизученные периоды установления и взлома льда. Трехмерная математическая модель гидротермодинамики, адаптированная к условиям мелководного озера (на примере озера Вендюрского). Cхемы течений (годовой цикл), полученные на основе численных экспериментов на модели. Модельные расчеты на адаптированной модели для разных гидрометеорологических условий. Оценка закономерностей формирования и изменчивости структуры течений в озере по результатам численных экспериментов.
Подготовка и публикация 5 статей. Подготовка промежуточного отчета.
2020: База данных "Течения в мелководном озере - 2", подготовленная по данным измерений в 2018-2020 гг.
Количественное описание процессов переноса и перемешивания в мелководном озере (годовой цикл) на основе численных экспериментов. Численные эксперименты на модели с целью получения расчетных оценок переноса консервативной примеси от точечного источника в годовом цикле. Количественная оценка закономерностей воздействия гидротермодинамических процессов на функционирование водной экосистемы озера Вендюрского. Публикация 5 статей. Подготовка отчета.
2021: Выявление зависимости кислородного режима озера от термического режима системы «водная масса – донные отложения» по результатам математического моделирования. Публикация 5 статей. Подготовка заключительного отчета.

Актуальность проблемы

Известно, что термодинамика мелководных озер умеренной зоны играет важнейшую роль в функционировании их экосистем. Температура и скорости течений определяют интенсивность биохимических процессов в водной толще и придонных слоях водоемов, жизненные циклы гидробионтов. В частности, температурный режим оказывает определяющее влияние на формирование кислородного режима: стратификация водной толщи в период открытой воды ограничивает аэрацию придонных слоев водоема, что создает предпосылки для придонной аноксии и заметно ухудшает условия жизни гидробионтов. Зимой температура придонных вод, повышающаяся в результате теплообмена с донными отложениями, увеличивает скорость поглощения кислорода, регулируя степень выраженности придонной аноксии. Продолжительность ледостава, летней стратификации, периодов весеннего и осеннего полного перемешивания водной толщи, интенсивность динамических процессов определяют жизненные циклы гидробионтов, создают «благоприятные» или «неблагоприятные» условия для видов с разными предпочтениями по температурному и динамическому режимам. Таким образом, очевидна актуальность изучения процессов переноса и перемешивания (годовой цикл) в водной толще мелководных озер и выявления их роли в функционировании озерных экосистем.

Методы натурных измерений не позволяют получить полную картину переноса и перемешивания в водоемах в силу высокой стоимости оборудования и сложности постановки экспериментов. При численном моделировании термического режима мелководных озер традиционно применяется одномерный подход, основанный на предположении о горизонтальной однородности температуры. Однако применение этого подхода не позволяет учесть динамических явлений и процессов, наблюдающихся в водной толще и придонных слоях мелководных озер, таких как внутренние волны, сейши, сгонно-нагонные явления, и оказывающих влияние на скорости тепло- и массообмена (Wüest, Lorke, 2003; Bernhardt et al., 2014). Зимой неравномерное распределение тепла в донных отложениях приводит к появлению горизонтальных неоднородностей плотности и формированию циркуляций и круговоротов, охватывающих весь объем водной массы (Malm, 1998). Склоновые течения и компенсационные восходящие токи играют важную экологическую роль, способствуя перераспределению взвешенных и растворенных веществ (газов, биогенов, клеток водорослей), активизируя тепло- и массообмен и т.д. Скорости течений в таких циркуляциях и круговоротах малы, однако, поскольку период ледостава продолжается на водоемах умеренной зоны около полугода, влиянием этих факторов пренебрегать нельзя.
Заметно повысить качество расчетных реализаций позволяет использование трехмерных математических моделей (Wood et al., 2008; Ибраев, 2008). Уравнения таких моделей реалистично описывают процессы, которые важны в сезонной динамике озерных экосистем, и, в первую очередь – это перенос и перемешивание. Использование таких моделей позволяет решать ряд задач, связанных, например, с перераспределением веществ, в частности, загрязнителей, по водной толще озер, что повышает ценность модельных расчетов с экологической точки зрения.