3. Водообмен в озере

Показателем водообмена в озере, или интенсивности водообмена (смены) вод в озере, служит так называемый коэффициент условного водообмена (см. формулу (3.6)), который для озер чаще всего выра­жают формулой

К_ь = (^ + XJ/V= (У_ст + ZJ/V, (7.14)

где V — объем озера.

Иногда коэффициент условного водообмена в озере определяют иначе: K'_B=Y_np/V или Kg=Y_CT/V К'_ъ характеризует относительную роль притока речных вод в водообмене, К_в — относительную роль оттока речных вод. Для бессточных озер К_в = 0. Если составляющие водного баланса озера представлены в км³/год, то величина 1 /К_ь численно равна периоду условного водообмена (водообновления), выра­женному в годах (см. формулу (3.7)).

Наиболее общая закономерность, свойственная водообмену озе­ра, следующая: чем меньше объем озера, тем при прочих равных условиях коэффициент водообмена больше. Так, у оз. Ильмень К_в = 1,35, т. е. обновление вод в озере происходит в среднем за 0,74 года. У небольших проточных озер на Кольском п-ве К_в достигает 1000 (вода в среднем обновляется за 0,001 часть года, т. е. почти за 9 ч). У крупных водоемов, таких, как оз. Байкал и Каспийское море, К_ь составляет 0,0032 и 0,0049, т. е. время условного обнов­ления вод соответственно равно 312 и 204 годам.

4. Колебания уровня воды в озерах

Колебания уровня воды — это главнейшая характеристика режима озера. Напомним, что применительно к озерам их водным режи­мом считаются закономерные изменения уровня воды, площади, объема вод, а также характеристик течений и волнения. Водный режим озера вместе с изменениями ледотермических, гидрохими­ческих, гидробиологических и других характеристик озера форми­рует совокупность закономерных изменений всех компонентов озе­ра, называемую гидрологическим режимом.

Колебания уровня воды в озерах во многом определяют и воз­можности хозяйственного использования водоемов, так как от

высоты стояния уровня зависит эффективность работы водного транспорта, надежность водозабора на орошение, промышленное и коммунальное водоснабжение и т. д.

Колебания уровня воды в озерах по причинам, вызывающим их, могут быть подразделены на две группы: 1) колебания уровня, связанные с изменением объема (массы) воды в озере и определя­емые, таким образом, в основном изменениями составляющих водного баланса водоема (такие колебания уровня иногда называют объемными или водно-балансовыми) и 2) колебания уровня, не свя­занные с изменениями объема вод в озере, а определяющиеся пе­рераспределением неизменного объема по пространству озера (та­кие колебания уровня часто называют деформационными).

Колебания уровня первой группы связаны прежде всего с клима­тическими причинами и, в частности, с обусловленными климатом изменениями приходных составляющих водного баланса (притока реч­ных вод, осадков на поверхность озера). Поскольку речной сток и ув­лажнение территории в целом подвержены климатически обусловлен­ным вековым, многолетним и сезонным колебаниям, аналогичные колебания имеет и уровень воды в озерах. В последние 40—50 лет в свя­зи с антропогенными изменениями стока рек в объемных колебаниях уровня озер заметное влияние приобрел и антропогенный фактор.

Колебания уровня второй группы связаны прежде всего с так называемыми сгонно-нагонными денивеляциями уровня, обусловлен­ными ветром. Такие колебания имеют кратковременный характер.

Вековые и многолетние колебания уровня озер. Колебания уровня озер вековые и многолетние — наиболее яркое проявление гидроло­гического режима водоемов; они же оказывают и наиболее сильное (нередко неблагоприятное) воздействие на хозяйственное использо­вание озер и сопредельных территорий. Как уже отмечалось, ос­новная причина таких колебаний — климатическая, поэтому изуче­ние вековых и многолетних колебаний уровня озер может служить и косвенным доказательством существования климатических изме­нений увлажненности территорий.

Так, А. В. Шнитникову в результате исследования режима озер юго- восточной части Европейской территории России и Западной Сибири удалось установить вековые колебания увлажненности на огромных пространствах Евразии. А. В. Шнитников обнаружил циклические колебания уровня озер и увлажненности с периодом около 1850 лет.

Общеизвестны вековые и многолетние колебания уровня Каспий­ского и Аральского морей, обусловленные как климатическими, так и антропогенными факторами (см. разд. 7.10), и других бессточных озер.

Обращает на себя внимание факт снижения уровня многих бессточных озер в последние 100—200 лет, что, по-видимому, свя­зано с общим уменьшением увлажненности материков.

Сугубо антропогенным было снижение уровня оз. Севан: уро­вень был понижен на 18 м для увеличения гидроэнергетического потенциала р. Раздан, вытекающей из озера, а также для сокраще­ния площади мелководной части озера с целью уменьшения потери воды на испарение.

Вековые и многолетние колебания уровня наиболее заметны у бессточных озер, находящихся в аридных районах (Каспийское и Аральское моря, оз. Балхаш и др.). Объясняется это тем, что при изменении степени увлажненности больших территорий приток речных вод к озеру и потери с его поверхности на испарение изменяются почти в противофазе: в засушливые периоды в озеро поступает мало стока, а потери на испарение наибольшие, во влаж­ные периоды поступление стока и осадков на поверхность озера увеличивается, а потери на испарение несколько уменьшаются.

Сезонные колебания уровня озер. Эти колебания уровня также в основном связаны с изменениями составляющих водного баланса озер. Повышение уровня озер происходит в периоды повышенного притока вод в озера, определяемые типом внутригодового режима речного стока. Так, в озерах Онежском, Плещееве, Кубенском, Лача, Воже подъем уровня отмечается весной в период снегового половодья на реках; озера, питающиеся водами с ледников и вы­сокогорных снегов (Телецкое, Иссык-Куль), имеют максимум уровня во вторую половину лета (рис. 7.5).

Величина сезонных колебаний уровня озер зависит от площади поверхности озера и удельного водосбора (р: с уменьшением площа­ди озера и возрастанием ф она увеличивается.

Кратковременные колебания уровня озер. Колебания уровня это­го вида могут быть обусловлены сгонно-нагонными явлениями, сейшами, колебаниями атмосферного давления.

Воздействие ветра вызывает повышение уровня воды у навет­ренного (нагон) и понижение уровня воды у подветренного (сгон)

Н, м

Рис. 7.5. Типичные графики сезонных колебаний уровня озер Телецкого (7), Плещеева (2), Ладожского (3) (I—XII — ме­сяцы)

берега. При длительном устойчивом действии ветра возникает пе­рекос водной поверхности с уклоном в сторону, противоположную направлению ветра. Величина уклона зависит от скорости ветра W и длины озера в направлении действия ветра L'_m. Условию равно­весия тангенциального напряжения ветра и противоположно на­правленной продольной составляющей силы тяжести соответствует следующий уклон водной поверхности во время нагона:

(7.15)

к

(7.16)

р gh gh Величина перекоса уровня в озере равна

KW²L'₍Jgh.

г К возд J ветр ^р

-*наг

АН /_наг Ь_аз

При этом принято, что направление ветра и нагонного подъема уровня совпадают. Чем больше скорость ветра W, больше длина разгона Ь'₀₃ и меньше глубина h, тем больше величина нагона.

Величина перекоса уровня в озере при нагоне складывает­ся (рис. 7.6, а; 7.7) из двух частей: нагонного повышения уровня

а

W

)

II

Рис. 7.6. Схема денивеляции уровня озера при сгонно-нагонных явлени­ях (а), одноузловой (б) и двухузловой (в) сейшах: /—поперечный разрез, //—колебания уровня у противоположных берегов (/, 2) озера

Рис. 7.7. Колебания уровня воды на противоположных берегах Ладожского озера — наветренном (1) и под­ветренном (2) и скорости ветра (3) во время на­гона 11—13 октября 1962 г. (по Т. И. Малининой)

у наветренного берега и обычно мень­шего по величине сгонного понижения уровня у подветренного берега.

Неравномерное распределение атмос­ферного давления также создает переко­сы уровня воды. При этом уровень воды ведет себя как «обратный барометр»: повышается при понижении и пони­жается при повышении атмосферного давления в соответствии с уравнением АН- -Ap/pg, где Ар — величина измене­ния атмосферного давления. Так, изме­нение атмосферного давления на 1 гПа должно привести к обратному по знаку изменению уровня воды в этом месте приблизительно на 1 см.

После прекращения действия ветра или выравнивания градиен­тов атмосферного давления масса воды в озере, стремясь возвра­титься в состояние равновесия, начинает испытывать постепенно затухающие колебательные движения — сейши. Пункты, где колеба­ния уровня максимальны, называются пучностями, где уровень неизменен — узлами. Различают одно- и многоузловые (двухузло­вые, трехузловые и т. д.) сейши (рис. 7.6, б, в).

Сейши имеют следующие основные характеристики: амплиту­ду А (отклонение уровня от среднего), длину X и период т. Период сейши можно определить по формуле

т = 2 L„]{nj0,), (7.17)

где Ь₀₃ — длина озера; и —число узлов сейши; h — глубина озера. Из формулы (7.17) следует, что у одноузловых сейш период коле­баний наибольший и что период колебаний возрастает с увеличе­нием длины озера и уменьшением его глубины. Длина одноузловой сейши равна удвоенной длине озера. Расчеты и наблюдения дают следующие характеристики сейш в некоторых озерах. На Байкале отмечены сейши с периодом от 44 мин до 4—5 ч. Амплитуда этих сейш 6 — 7 см. Для Женевского озера характерны величины т = 73 мин, А — до 1 м. По данным А. С. Блатова, Д. JI. Ведева и А. Н. Косарева, периоды сейшевых колебаний уровня в Каспий­ском море составляют 4,1—4,5; 5,3—5,7; 8,3—8,7 ч (ветровое воз­действие), 12,1 ч (влияние приливов), 24 ч (следствие бризовой циркуляции). Амплитуды этих колебаний не превышают 10—15 см.

Основные физические закономерности течений и перемешива­ния вод в водных объектах, в том числе и в водоемах, были рас­смотрены в гл. 2. Наибольшее развитие теория этих процессов в водоемах, а также волнения получила для морей и океанов, они будут подробно описаны в гл. 10. В настоящей главе рассмотрим лишь основные особенности течений, волнения и перемешивания вод в озерах.

Течения в озерах. Основными причинами течений в озерах яв­ляются ветер, сток рек, впадающих в озеро, неравномерное распре­деление температуры и минерализации воды, а также атмосферного давления.

Ветер вызывает ветровые течения (рис. 7.8). Установившееся ветровое течение называют дрейфовым течением.

Рис. 7.8. Схема возникновения ветрово­го (1) и компенсационного (2) течений в озере и вертикальное распределение скорости течения (3)

К крупным озерам применим ряд положений теории морских ветровых течений. В отличие от морей в озерах, особенно не­больших, заметного поворота поверхностных течений под дей­ствием силы Кориолиса обычно не происходит, и в большинстве случаев направление поверхностного течения совпадает с направ­лением ветра. Между скоростью ветра W (м/с) и скоростью вет­рового течения в поверхностном слое v (м/с) может быть найдена зависимость вида v=KW, где ветровой коэффициент К для озер обычно составляет 0,01—0,02. Ветровые течения в озерах достига­ют 0,5 м/с.

Ветер вызывает также сгонно-нагонные денивеляции уровня: возникающие перекосы уровня создают так называемые компен­сационные течения, развивающиеся ниже слоя воды, охваченно­го ветровым течением, и противоположно ему направленные (см. рис. 7.8).

После прекращения ветра на многих озерах возникают сейши (см. разд. 7.5), сопровождающиеся сейшевыми течениями. Скорости таких течений обычно невелики, но в узких заливах и проливах могут достигать 1 м/с и более.

Ветер создает также волновые течения, совпадающие с направ­лением распространения волн.

Втекающие в озера реки создают местные перекосы уровня воды, приводящие к возникновению гравитационных (стоковых) течений, иногда распространяющихся на все озеро, особенно если оно невелико по размеру и проточное. Скорости стоковых течений зависят от скоростей течения во впадающей в озеро реке и могут достигать в непосредственной близости от устья реки 1—2 м/с. Своеобразные стоковые течения возникают и вблизи истока выте­кающей из озера реки.

Неравномерное распределение по пространству озера темпера­туры, а иногда и минерализации воды создает горизонтальные градиенты плотности и перекосы уровня, вызывающие плотност- ные течения. В период нагревания озера температура воды вблизи берегов выше, чем в середине озера. Такое распределение темпе­ратуры воды приводит к тепловому расширению воды и подъему уровня в прибрежной зоне и создает плотностную горизонтальную циркуляцию, направленную в больших глубоких озерах в Север­ном полушарии под влиянием силы Кориолиса против часовой стрелки. В период охлаждения, когда у берегов температура воды ниже, чем в середине озера, возникает перекос уровня в сторону берега, что создает плотностную горизонтальную циркуляцию, направленную по часовой стрелке. Скорости плотностных тече­ний достигают в Ладожском озере 0,35, на Байкале 0,5 м/с. Изме­нения уровня, обусловленные изменениями атмосферного давле­ния, вызывают бароградиентные течения, сходные с компенсацион­ными течениями, связанными с ветровыми изменениями уровня (см. рис. 7.8).

Волнение на озерах. Волнение на озерах, особенно небольших, имеет рад особенностей, связанных с ограниченностью размеров водоема и, как правило, небольшими глубинами.

Волнение на озерах в связи с их небольшими размерами раз­вивается быстрее, чем на больших морских акваториях. Так же быстро волнение на озерах и затухает после ослабления и прекра­щения действия ветра. Волны зыби, перемещающиеся в водоемах после прекращения действия ветра, на небольших озерах наблюда­ются редко.

Волнение на озерах обычно менее упорядоченное, чем на мо­рях. Волны, как правило, трехмерные (хорошо выраженный фронт волны отсутствует), более крутые, чем на морях. Крутизна волны — это отношение высоты волны /г_в к ее длине X.

На крупных озерах максимальная высота волн может достигать 3—4, иногда 5—6 м (оз. Мичиган, оз. Ладожское). На Каспийском море максимальная высота волн еще больше. На малых озерах высота волн обычно не превышает 0,5 м. Крутизна волн на озерах в среднем около 0,1.

Параметры волн на озерах (высота h_B и длина X) зависят от скорости ветра W и длины разгона волн D и, согласно формулам В. Г. Андреянова, равны:

h

(7.18)

(7.19)

_B = 0,0208 W^5/4D^l/3; X = 0,304 WD^,/2,

где h_B и X выражены в м, W— в м/с, D — в км. Скорость распро­странения волны с на мелководье может быть приближенно опре­делена по формуле Лагранжа — Эри:

с

(7.20)

~ Jgh,

где h — глубина места. Тогда период волны легко рассчитать по соотношению т = Х/с.

Для определения параметров волн на озерах разработаны спе­циальные номограммы, позволяющие рассчитывать h_B, X их по данным о скорости ветра W и времени его действия t, длине раз­гона D и глубине h.

Перемешивание воды в озерах. Физическими причинами верти­кального перемешивания вод в озерах являются различия в плот­ности воды, вызывающие конвективное перемешивание, и действие ветра (волнение, ветровые течения), приводящие к динамическому перемешиванию.

Конвективное перемешивание наблюдается в озерах с пре­сной или солоноватой водой при нарушении плотностной устой­чивости вод, вызванной, например, весенним нагреванием или осенним охлаждением поверхностного слоя воды до температуры наибольшей плотности (см. разд. 7.7.3). Вертикальная плотност- ная стратификация в озерах препятствует динамическому переме­шиванию.