Introduction. The sediment transportation is one of the major processes that define the magnitude and back surface changing rate for water bodies. The most used prognostic studies in this field are based on the mathematical models that allow reducing, and in some cases, eliminating the expensive and often environmentally burdensome experiments. Spatially one-dimensional models are mainly used to predict changes in bottom topography. For actual coastal systems with irregular coastal configuration, the flow vector is generally not orthogonal to the tangent line for the coastline at each of its points. It also may not coincide with the wind stress vector. Therefore, to solve lots of practically important problems associated with the prediction of the dynamics of the back surface of water basins, it is necessary to use spatially two-dimensional models of sediment transportation and effective numerical methods of their implementation. Materials and Methods. The authors (A.I. Sukhinov, A.E. Chistyakov, E.A. Protsenko, and V.V. Sidoryakina) have earlier proposed a spatially two-dimensional model of sediment transport that satisfies the basic conservation laws (of material balance and momentum) which is a quasilinear equation of parabolic type. The linear difference schemes are constructed and studied; model and some practically important tasks are solved. However, the theoretical study on the proximity of solutions for the original nonlinear initial-boundary value problem and the linearized continuous task - on which basis a discrete model (difference scheme) was built - remained in the shadow. The study of the linearized problem correctness and the determination of sufficient conditions for positivity of solutions are of special interest because only positive solutions to this sediment transport problem have physical value within the framework of the considered models. Research Results. The investigated nonlinear two-dimensional model of sediment transport in the coastal zone of shallow reservoirs takes account of the following physically significant factors and parameters: soil porosity; critical value of the tangent stress at which load transport starts; turbulent interaction; dynamically varying of the bottom geometry; wind currents; and bottom friction. Linearization is carried out on the time grid - nonlinear coefficients of the parabolic equation are taken for the previous time grid step. Next, a chain of tasks connected by the initial data - final solutions of the linearized mixed Cauchy problems chain on a uniform time grid is constructed, and thus, the linearization for the initial 2D nonlinear model is carried out in large. Earlier, the authors have proved the existence and uniqueness of the solution to a linear tasks chain. Prior estimate of the proximity of the linearized problem chain solution to the initial non-linear task solution has been also obtained. The conditions of its solution positivity and their convergence to the nonlinear sediment transport problem are defined in the norm of the Hilbert space L1 with the rate O(τ) where τ is a time step. Discussion and Conclusions. The obtained research results of the spatially two-dimensional nonlinear sediment transport model can be used for predicting the nonlinear hydrodynamic processes, improving their accuracy and reliability due to the availability of new accounting functionality of physically important factors, including the specification of the boundary conditions.
Введение. Транспорт наносов является одним из основных процессов, определяющих величины и темпы деформаций донных поверхностей водных объектов. Чаще всего прогностические исследования в этой области строятся на основе математических моделей, которые позволяют сократить, а в ряде случаев исключить дорогостоящие и опасные в экологическом отношении эксперименты. Для прогнозирования изменения рельефа дна в основном используются пространственно-одномерные модели. Для реальных прибрежных систем со сложной формой берега вектор потока наносов в общем случае не ортогонален касательной к береговой линии в каждой из ее точек. Также он может не совпадать с вектором ветровых напряжений. Поэтому для решения многих практически важных задач, связанных с прогнозированием динамики донной поверхности водоемов, необходимо применение пространственно-двумерных моделей транспорта наносов и эффективных численных методов их реализации. Материалы и методы. Авторами (А. И. Сухинов, А. Е. Чистяков, Е. А. Проценко, В. В. Сидорякина) ранее была предложена пространственно-двумерная модель транспорта наносов, удовлетворяющая основным законам сохранения (материального баланса и импульса), которая представляет собой квазилинейное уравнение параболического типа. Были построены и исследованы линейные разностные схемы и решены модельные, а также практические задачи. Однако осталось в тени теоретическое исследование «близости» решений исходной нелинейной начально-краевой и линеаризованной непрерывной задач, на основе которой была построена дискретная модель (разностная схема). Особый интерес представляет исследование корректности линеаризованной задачи и определение достаточных условий положительности решений, т. к. только положительные решения задачи транспорта наносов имеют смысл в рамках рассматриваемых моделей. Результаты исследования. Исследуемая нелинейная двумерная модель транспорта наносов в прибрежной зоне мелководных водоемов учитывает следующие физически значимые факторы и параметры: пористость грунта; критическое значение касательного напряжения, при котором начинается перемещение наносов; турбулентный обмен; динамически изменяемая геометрия дна; ветровые течения и трение о дно. Линеаризация осуществляется на временной сетке - нелинейные коэффициенты параболического уравнения берутся с запаздыванием на один шаг временной сетки. Далее строится цепочка взаимосвязанных по начальным условиям - финальным решениям цепочки линеаризованных смешанных задач Коши на равномерной временной сетке, и таким образом осуществляется линеаризация в целом 2D нелинейной модели. Ранее авторами были доказаны существование и единственность решения цепочки линеаризованных задач, получена априорная оценка близости решения цепочки линеаризованных задач к решению исходной нелинейной задачи. В данной работе определены условия положительности ее решений и их сходимости к решению нелинейной задачи транспорта наносов в норме Гильбертова пространства L1 со скоростью O(τ), где τ - временной шаг. Обсуждение и заключения. Полученные результаты исследования пространственно-двумерной нелинейной модели транспорта наносов могут быть использованы при прогнозировании нелинейных гидродинамических процессов, повышения их точности и надежности в силу наличия новых функциональных возможностей учета физически важных факторов, в том числе уточнения граничных условий.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.