Лекции по гидрологии

Вода озера  имеет пониженную концентрацию ионов: до 6 Мэв/л, электропроводность: 600 µS. Пониженный уровень ионизации является следствием сбора поверхностных вод и стоком рек не имеющих высокой минерализации.

Расположение Малави, Мозамбик, Танзания

Размеры 560×75 км

Площадь 29,6 тыс. км²

Объём 8,4 тыс. км³

Длина береговой  линии 1245 км

Наибольшая  глубина 706 м

Средняя глубина 292 м

Прозрачность в зависимости от времени года: 13—23 м

Площадь водосбора 6593 км²

Впадающие реки Рухуху, др.

Вытекающая  река Шире

Количество  часов ясного солнечного освещения  — 2860 ч/год (среднее за 3 года наблюдений). Средняя температура воды 25 °С.

 

Большое количество озер приурочено к увлажненным районам  древнего оледенения (Канада, Скандинавия, Карелия и Кольский п-ов), а также к заболоченным территориям (Зап. Сибирь). Многочисленные бесточные озера расположены в некоторых засушливых областях с плоским рельефом (юг Зап. Сибири, Северный Казахстан).

Озерная котловина — естественное понижение земной поверхности, в котором расположено озеро. Часть озерной котловины, заполненная водой до высоты максимального подъема уровня называется озерным ложем, или озерной чашей.

Береговая область озера включает следующие элементы.

Береговой (абразионный) уступ - крутой или обрывистый склон, сформировавшийся в результате разрушительного воздействия волн (абразии).

Береговая отмель (литораль) - мелководная часть озера, сложенная в основном продуктами разрушения берега.

Подводный откос - относительно крутой склон дна от края литорали к глубоководной части озера. Распространение высшей водной растительности, как правило, ограничено литоралью.

Типы  озер по происхождению котловин:

1. Тектонические, приуроченные к крупным тектоническим прогибам и впадинам (Каспийское море, озера Верхнее, Ладожское, Онежское, Иссык-Куль, Балхашское) или к грабенам (Байкал, Танганьика, Ньяса).

2. Ледниковые: а) троговые (Женевское, многие озера Скандинавии, Карелии), б) моренные, образовавшиеся среди древних моренных отложений (Имандра, Селигер), в) каровые, г) приледниковые и надледниковые, связанные с современным оледенением.

3. Карстовые, приуроченные к карстовым просадкам, а также подземным пустотам. Термокарстовые (вечная мерзлота); суффозионные (в результате размыва и выноса частиц).

4. Вулканические, расположенные в кратерах вулканов (Титикака в Андах, Кроноцкое на Камчатке).

5. Речного происхождения - старицы, дельтовые, завальные.

6. Морского происхождения - отчлененные от моря песчаными или галечниковыми косами расширения в устьевых участках рек (лиманные озера) или небольшие акватории моря (лагунные озера).

7. Болотные (органогенные), расположенные в болотных массивах.

8. Плотинные – образуются в результате перекрытия долин.

9. Смешанные.

 

 

 

 

Водный баланс и внешний водообмен  озер

 

Уравнение водного баланса озера ( в м или мм слоя):

 

x_оз + y_пр.пов + y_{пр.подз} + y_сбр = y_ст.пов + y_{ст.подз} + z_оз + y_заб ±∆V_оз

 

где х_оз — атмосферные осадки на поверхность озера,

у_пр.пов и y_{пр.подз} — соответственно поверхностный и подземный приток в озеро,

у_сбр — искусственный сброс воды в озеро,

y_ст.пов и y_{ст.подз} - соответственно поверхностный сток и подземный отток из озера,

 z_оз - испарение с поверхности озера,

у_заб - забор воды из озера на хозяйственные нужды,

±∆V_оз - изменение объема (или уровня) воды в озере.

На озерах со стабильным уровнем воды в среднем за многолетний  период ∆V_оз = 0.

Озера, для которых у_ст.пов. - 0, называются бессточными.

Для озер в зонах избыточного и достаточного увлажнения суммарный сток , включающий у_ст.т>в и ycm.nofa, превышает г_т, для озер в зоне недостаточного увлажнения характерно обратное соотношение; у озер с малым удельным водосбором (ф) суммарный приток (у„_р = Упр.пов ⁺Упр.подз), как правило, превышает х₀₃, при малом ф - наоборот.

Внешний водообмен  в озере определяет условия обновления воды в нем. Количественным показателем этих условий служит коэффициент водообмена K_в = (y_пр + x_оз)/V_оз = (y_ст + z_оз)/V_оз. Обратная величина t_оз = 1/K_в численно равна периоду условного водообновления, выраженному в годах. Отношение K_в^* = y_ст/V_оз называют коэффициентом проточности озера. K_в для небольших проточных озер Кольского п-ва достигает 1000 (t_оз = 0,001 года). Для оз. Байкал K_в = 0,0032, t_оз = 312 лет.

Чем меньше K_в, тем больше регулирующее воздействие озера на сток воды и наносов вытекающей из него реки.

 

 

Колебания уровня воды в озерах.

 

Различают вековые, многолетние, сезонные и кратковременные  изменения уровня озер.

Вековые и многолетние колебания уровня имеют вид циклов с периодами (фазами) его повышения и понижения и связаны с изменением климата. Продолжительность вековых циклов более 100 лет, многолетних - десятки лет.

В последние  десятилетия важнейшим фактором многолетнего изменения уровня озер стала хозяйственная деятельность.

Сезонные  колебания уровня озер в основном повторяют водный режим, впадающих в них рек, но с некоторым запаздыванием наступления отдельных фаз водного режима. Размах сезонных колебаний увеличивается с возрастанием удельного водосбора ф, но в целом он меньше, чем на реках.

Кратковременные колебания уровня озер связаны со сгонно-нагонными явлениями, изменением атмосферного давления, сейшами.

Сгонно-нагонные явления выражаются в том, что под воздействием ветра уровень воды у наветренного берега повышается (нагон), а у подветренного берега понижается (сгон). Чем больше скорость и продолжительность ветра, длина разгона (расстояние в пределах акватории по линии, совпадающей с направлением ветра) и чем меньше глубина озера, тем больше разница уровней у обоих берегов. На крупных озерах высота нагона достигает десятков сантиметров (иногда > 1м); снижение уровня на противоположном берегу обычно меньше.

Различие  в величине атмосферного давления в  разных частях озера также вызывает перекос его поверхности. Изменение давления на 1 мбар приводит к обратному по знаку изменению уровня воды приблизительно на 1 см.

После прекращения  действия ветра или выравнивания атмосферного давления на акватории озера поверхность воды стремится занять горизонтальное положение. Происходят разнонаправленные изменения уровня воды на разных частях озера. Они имеют вид постепенно затухающих колебательных движений. Это явление - сейша.

Наибольшее  отклонение уровня от среднего положения - амплитуда сейши -наблюдается обычно у берегов. Такие места называются пучностями. В центральной части озера находятся точки, где уровень не меняется; это - узлы сейши. Иногда наблюдаются двухузловые и трехузловые сейши. Амплитуда сейши достигать 1 м.

Период  сейши — время между смежными максимумами или минимумами уровня.

Ветровое  волнение в озерах, течения, перемешивание  вод

Ветровое  волнение - колебательное движение воды под действием ветра поступательного движения массы воды, в отличие от такового при сгонно-нагонных явлениях, не происходит. Волнение на озерах развивается и затухает быстрее, чем на больших морсккх акваториях, крутизна волн больше, волны, как правило, трехмерные. Высота и длина волн увеличивается с возрастанием скорости ветра и длины разгона. На крупных озерах высота волн может достигать 3-4 м (озера Мичиган, Ладожское).

Виды  течений в озерах:

Ветровые  течения, вызываемые длительными ветрами одного направления; они являются причиной сгонно-нагонных явлений.

Компенсационные течения, возникающие в нижних слоях воды при переносе поверхности озера вследствие сгонно-нагонных явлений или неравномерного распределения атмосферного давления по акватории. Течение направленно от участка с повышенным уровнем в сторону пониженного.

Стоковые  течения возникают под влиянием впадающих в озеро рек. Особенно они заметны на озерах, характеризуемых большим коэффициентом проточности.

Плотностные течения образуются в результате неравномерного распределения по акватории плотности воды, зависящей от температуры воды и минерализации. Направление течений от мест с меньшей плотностью к местам с большей плотностью.

Ветровые  и компенсационные течения обычно наименее устойчивы. Плотностные течения, связанные с температурой воды, часто имеют сезонный характер. Наиболее устойчивы стоковые течения.

Различают конвективное и динамическое вертикальное перемешивание воды в озерах.

Конвективное  перемешивание происходит в том случае, когда под влиянием температуры или других причин слой воды с большей плотностью оказывается выше слоев с меньшей плотностью.

Динамическое  перемешивание возникает под воздействием ветровых волн, сейш, течений. Влияние ветровых волн распространяется на поверхностный слой по глубине в несколько раз превышающей высоту волн.

 

Температурный режим и ледовые  явления на озерах.

 

Уравнение теплового баланса озера:

 

Θ_с + Θ_лед + Θ_конд + Θ_пр ± Θ_атм ±Θ_гр = I + Θ_исп + Θ_пл + Θ_ст ±∆Θ

 

где Θ_с - солнечная радиация (прямая и рассеянная),

Θ_лед и Θ_конд - выделение тепла при ледообразовании и конденсации соответственно,

Θ_пр - поступление тепла с притекающими поверхностными и подземными водами,

Θ_атм и Θ_гр - приход или расход тепла в результате теплообмена с атмосферой и донными грунтами,

I - эффективное излучение с поверхности воды,

Θ_исп и Θ_пл - расход тепла соответственно на испарение и плавление (таяние) льда,

Θ_ст - расход тепла с речными и подземными водами, уходящими из озера,

∆Θ - изменение тепла в озере.

 

Составляющие  теплового баланса выражаются в  джоулях или калориях.

Для большинства  озер основные составляющие теплового  баланса — Θ_с, Θ_исп и Θ_атм. Они вызывают изменение температуры на поверхности озера. Передача тепла по вертикали происходит в результате перемешивания вод.

В температурном  режиме озера в умеренном климате  выделяются 4 периода.

Период  весеннего нагревания наступает, когда температура подо льдом под влиянием солнечной радиации начинает повышаться. В начале периода наблюдается обратная температурная стратификация, которая характеризуется увеличением температуры с глубиной. У поверхности ее значения близки к 0°С, в придонном слое 2-3°, а в наиболее глубоких озерах 4°, т.е. наблюдается устойчивое состояние, когда плотность увеличивается от верхних слоев к нижним. После освобождения озера от льда температура воды в поверхностном слое начинает расти. Когда она становится выше, чем в нижележащих слоях, происходит конвективное перемешивание. В результате по всей глубине температура становится одинаковой и равной ее придонным значениям в начале периода. Наступает состояние весенней гомотермии, которое продолжается до значения T=4°С.

С указанного момента начинается период летнего нагревания. При нагревании поверхностных слоев выше 4°С конвективное перемешивание происходит только во время их ночного охлаждения. Динамическое перемешивание у неглубоких озер в начале периода, когда разница температур, а следовательно и плотности воды в поверхностном и придонном слоях невелика, охватывает всю толщу воду. При увеличении разницы плотностей вследствие более быстрого нарастания температуры воды у поверхности влияние динамического перемешивания ограничивается только верхним слоем. Наблюдается прямая термическая стратификация, т.е. уменьшение температуры воды по глубине. При этом формируется три характерных слоя: 1) эпилимнион с наиболее высокой температурой, мало изменяющейся по глубине; 2) металимнион (или слой температурного скачка) с резким уменьшением температуры с глубиной; 3) гиполимнион — слой с относительно низкой температурой, слабо изменяющейся по глубине. В наиболее глубоких озерах температура в гиполимнионе близка к 4°С.

С момента, когда  приход тепла к поверхности озера  становится меньше его расхода, начинается период осеннего охлаждения. Температура поверхностного слоя становится меньше, чем в нижележащих слоях, а плотность больше. Возникает конвек-тивное перемешивание воды. Температура постепенно становится одинаковой по всей глубине и близкой по значению температуре в гиполипнионе летом. Возникает состояние осенней гомотермии, которое продолжается до установления Т= 4°С.