Rad ne sadrži naslov na drugom jeziku.

Abstract

A numerical model for simulating freshwater and seawater flow in highly stratified estuaries was developed and validated. The governing equations for one-dimensional, two-layer, and time-dependant shallow water flow were derived from the laws of conservation of mass and linear momentum. The resulting equations are written as a system of non-linear, hyperbolic, partial differential equations. To solve this system, a finite volume method was used; specifically, a well-balanced Q-scheme for two-layer shallow water flow in channels with irregular geometry was extended to resolve additional friction and entrainment terms. Particular emphasis was placed on the selection and validation of appropriate boundary conditions and the numerical treatment of wet-dry transitions. To assess the performance of the proposed model and examine the main physical processes, a field sampling campaign was conducted during 2014-15 in the Rječina River estuary. Entrainment rates were estimated from observed salinity profiles and flow rates by a two-layer box model. Interfacial friction factors were determined by fitting the numerical results to observed salt-wedge profiles. A steady arrested saltwedge model, based on a finite difference method, was used for this purpose. When the interfacial friction factor was calibrated, the numerical results agreed favourably against field observations for both steady and variable flow conditions. The combination of field observations and numerical experiments allowed for a more detailed investigation of the main physical processes in microtidal estuaries. The salt-wedge dynamics in the Rječina River estuary depends mainly on the river flow rate, while the sea-level and channel geometry impose a second-order control. Furthermore, a strong stratification persisted under all observed flow conditions. Finally, none of the existing entrainment and interfacial friction laws proved adequate; therefore, new empirical equations were proposed.Izrađen je i validiran numerički model za simuliranje tečenja slane i slatke vode u izrazito stratificiranim ušćima. Vladajuće jednadžbe za jednodimenzijski, dvoslojni i nestacionarni tok plitkih voda u koritima nepravilne geometrije, izvedene su iz zakona očuvanja mase i količine gibanja. Rezultirajuće jednadžbe cine sustav nelinearnih, hiperboličnih, parcijalnih diferencijalnih jednadžbi, a mogu se zapisati u vektorskom obliku kao zakon održanja s izvornim članom. Za rješavanje navedenih jednadžbi koristila se metoda konačnih volumena, odnosno dobro balansirana Q-shema za dvoslojno tečenje u koritima nepravilne geometrije, koja je modificirana kako bi se uključili dodatni članovi koji opisuju trenje i vertikalno miješanje. Posebna pozornost je posvećena validiranju fizikalno relevantnog nizvodnog rubnog uvjeta, definiranog dubinom gornjeg sloja na ušću rijeke ili na mjestima naglog suženja korita. Također je riješen i problem pomicanja fronte donjeg sloja, koji u numeričkom smislu predstavlja prijelaz između suhog i mokrog dijela domene. Numerički model je verificiran za slucaj prizmatičnog korita s ravnim dnom, za koji postoje analitička rješenja te za slučaj neprizmatičnog korita, usporedbom s jednostavnijim stacionarnim numeričkim modelom temeljenim na metodi konačnih razlika, odnosno implicitnoj trapeznoj metodi. Terenska mjerenja na ušću Rječine provedena su tijekom 2014. i 2015. godine pri različitim razinama mora i protocima rijeke, pri čemu su mjerena fizikalna svojstva vode na nekoliko profila duž ušća. U tu svrhu, prvenstveno su se koristile CTD sonde koje mjere tlak, temperaturu i električnu provodljivost po dubini vode. Iz navedenih podataka izračunati su saliniteti i gustoća vode pomoću poznatih empirijskih izraza. Ulazni protoci određivali su se prema razini vode na pragu uzvodno od ušća, za koji je poznata protočna krivulja. Akustični Dopplerov strujomjer se povremeno koristio kako bi se validirali uzvodni protoci rijeke i izračunate brzine u pojedinim slojevima. Intenziteti miješanja među slojevima određeni su pomoću dvoslojnog Knudsenovog modela na osnovu izmjerenih protoka i saliniteta vode u svakom sloju. Koeficijenti trenja na razdjelnici slojeva dobiveni su metodom prilagodbe numeričkih rezultata izmjerenim dubinama haloklina duž ušca Rječine. Uz kalibrirane koeficijente trenja, poklapanja numeričkih rezultata i terenskih mjerenja su zadovoljavajuća, što ukazuje na vrlo dobru prognostičku moć predloženog modela u izrazito stratificiranim uvjetima. Kombinacija terenskih mjerenja i numeričkih simulacija omogućila je detaljniji uvid u relevantne fizikalne procese u izrazito stratificiranim ušćima. Pokazalo se kako protok rijeke ima dominantni utjecaj na dinamiku slanog klina, dok u manjoj mjeri utjecaj imaju razina mora i geometrija korita. Smanjenje protoka rijeke te podizanje morske razine može uzrokovati jači prodor slanog klina uzvodno. Također, tijekom svih mjerenja zabilježena je kontinuirana stratifikacija stupca vode, neovisno o mareografskim i hidrološkim uvjetima. Postojeći parametrizacijski modeli za intenzitet miješanja u stratificiranim sredinama nisu se pokazali dovoljno pouzdanima na ušću Rječine. Detaljnije analize sugeriraju kako je intenzitet miješanja moguće zadovoljavajuće prognozirati tek na osnovu kombinacije poznatih bezdimenzionalnih parametara toka i koeficijenta trenja. Parametrizacijski modeli za koeficijent trenja na razdjelnici pokazali su se još manje pouzdanima. Analize izmjerenih podataka sugeriraju kako se koeficijent trenja povećava s protokom rijeke, što je u suprotnosti s postojećim saznanjima. Zaključno, predloženi su novi empirijski izrazi za prognoziranje intenziteta miješanja i koeficijenta trenja na razdjelnici u izrazito stratificiranim ušćima