2.4 Обзор мониторинга озера Валдай по интегральным показателям Расчет составляющих водного баланса для чаши водохранилища

В работе использованы месячные величины составляющих водного баланса для чаши Валдайского водохранилища, которые были получены ранее при обобщении материалов по мониторингу озер Валдайское и Ужин за двадцатилетний период 1975 – 1995 гг. Уравнение водного баланса можно представить в следующем виде:

αX_Of_O + αY_Bf_B + α ( H_H – Н_K)f_O – αEf_O – αYF + αPf_O = 0, м³ (3)

где:

X_O – атмосферные осадки на акватории озер, мм ;

Y_B – боковой приток в чашу озер с водосбора, мм ;

Нн, Нк – соответственно начальный и конечный уровень воды в озерах над «0» графика, мм;

E_O – испарение с акватории озер, мм ;

Y – сток из озер по р.Валдайке, мм ;

P – невязка (погрешность расчета) водного баланса, мм ;

α– переходный коэффициент, учитывающий несовпадение размерностей элементов водного баланса и площадных характеристик (α = 10³);

f_O – площадь акватории озер принята в среднем равной 30,3 км ²;

F - общая площадь водосборного бассейна озер -155,6 км²;

f_B – площадь водосборного бассейна озер -125,3 км².

Разделив все члены уравнения (3) на αf_O получим более удобное выражение

X_O + Y_Bf_B/ f_O + ( H_H – Н_K) –E_O –YF/ f_O + P = 0, мм (4)

Атмосферные осадки (X_O) определялись по данным их непосредственных измерений в осадкомерных пунктах, располагающихся вблизи акватории озер.

Испарение воды с акватории (E_O) определялось отдельно для периода ледостава и периода открытой водной поверхности. Для расчета испарения со снежного покрова и льда использовалась известная формула:

Eo = (0,24 + 0,05 U₁₀₀₀ )d₂₀₀n, (5)

где

U₁₀₀₀ – средняя скорость ветра на высоте флюгера (1000 см), м/с;

d₂₀₀ – средний дефицит влажности воздуха на высоте 200 см, гПа;

n – число суток в расчетном периоде;

0,24 и 0,05 - эмпирические коэффициенты.

Испарение с открытой водной поверхности озер рассчитывалось в соответствии с «Указаниями по расчету испарения с поверхности водоемов» по формуле:

E = 0,14 n( е_р - е ₂₀₀ ) (1 + 0,72 U ₂₀₀ ), (6)

где

0,14 , 1 и 0,72 – эмпирические коэффициенты;

е₂₀₀ – среднее значение упругости водяного пара над водоемом на высоте 200 см. гПа;

е_р – среднее значение максимальной упругости водяного пара, найденное по температуре поверхности воды в водоеме, гПа;

U ₂₀₀ – среднее значение скорости ветра над водоемом на высоте 200см, м/с;

n – число суток в расчетном периоде.

Значения метеоэлементов на водоеме рассчитаны по средним месячным величинам характеристик по данным метеостанции “Валдай”.

Изменение запасов воды в чаше озер (H_H – Н_K) определялось по данным непосредственных измерений уровня воды на первое число каждого месяца

Сток воды из озер (Y) через бейшлот в истоке р. Валдайки рассчитывался с использованием приведенной ниже формулы (7) истечения жидкости через большое донное отверстие. Для тарировки бейшлота после передачи его ВФ ГГИ были выполнены несколько серий измерений расходов с гидрометрического мостика в нижнем бьефе бейшлота при различных открытиях щита и различных уровнях воды в верхнем бьефе. По данным измерений был построен ряд графиков связи, найдены уравнения кривых и оценены коэффициенты корреляции. Входным параметром для всех графиков была величина открытия щита. Хорошая связь между величиной перепада уровней в верхнем и нижнем бьефе, а также между уровнем по водпосту ВФ и уровнем на нижнем бьефе бейшлота позволяют при установившемся режиме рассчитывать расходы через плотину только по величине открытия щита.

Основной рабочей кривой является кривая, построенная по измеренным расходам. С ней, практически, совпадает кривая, рассчитанная по уравнению для подсчета расхода через затопленное отверстие

Q =   2 g z , (7 )

где  – площадь отверстия, g – ускорение силы тяжести, величина  – коэффициент расхода, z – это разность уровней между верхним и нижним бьефами бейшлота. Третья кривая дает максимальный расход, который бывает сразу после подъема щита до того момента, пока сформируется сливная призма. Поэтому при расчете по этой кривой используется разность уровней между водпостом ВФ ГГИ и нижним бьефом бейшлота.

Суммарный приток воды в чашу (Y_B) рассчитывается по уравнению водного баланса как остаточный член уравнения (3).

Среднемесячные величины составляющих водного баланса и слоев стока за период 1975 – 1995 гг. приводятся (таблица 11).

Тренды, построенные для этого периода, показывают рост осадков, стока и снижение величин испарения с водной поверхности. Годовые слои притока в чашу озер, рассчитанные по уравнению водного баланса, хорошо согласуются со стоком реки Поломети в створах Дворец и Яжелбицы. Поверхностный сток на воднобалансовых площадках Агроводнобалансового полигона и №4 Лога Таежного практически отсутствует, что говорит о внутрипочвенном характере первого этапа стекания со склона для естественных угодий [15].

Таблица 11 – Средние месячные и годовые величины составляющих водного

баланса и слоев стока по району исследований за период 1975-1995 гг.,

мм слоя[10]

Месяц	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Год
Составляющие водного баланса для чаши озер Валдайское и Ужин
Осадки	67	42,6	48,2	40,6	55,7	76,5	80,8	96,6	78,3	73,4	65,5	68	793
Испарение	5,8	6,1	14,7	32,8	52,5	80,1	86,1	74,9	55,7	39,2	24,3	10,7	483
Приток в чашу	19,3	22,2	34,4	94,9	45,2	30,7	17,3	16,1	20	27	28,7	24,7	381
Отток, р.Валдайка	30,1	32,1	34,7	49,8	43,3	29,7	15,4	22,3	15,9	29,7	33,9	29,6	367
Сток логов
Усадьевский	20,5	19,2	42	144	22,9	10	4,2	11,9	19,6	32,4	36,7	25,5	389
Таежный	7,7	8,2	15,4	77	39	10,4	5,9	9,6	10	20,4	15,2	8,8	228
Грунтовый сток воднобалансовых площадок
В/б пл.Агрополигона	0,7	9,2	17,6	90,6	13,5	4	0,4	6,5	7,8	12,7	13	4,5	181
В/б пл.№4-Таежного	2,8	6,5	12	83,2	34,4	5,5	1	2,6	3	5,1	5,7	3,5	165
Сток реки Полометь
Полометь-Дворец	17,1	14,5	24,1	101	55,8	17,6	10,3	15,5	17	28,8	29,3	21,4	353
Полометь-Яжелбицы	20	17,2	27,8	102	55	20,4	12,2	16,5	17,7	28,8	29,5	24,3	372

Система “водосбор – озеро”. Количественные взаимосвязи в системе “водосбор – озеро” были впервые сформулированы в работах Фолленвайдера, Фолленвайдера и Диллона – в рамках биогенно-нагрузочной концепции увязывались поступление фосфора с водосборного бассейна, глубина озер, время условного водообмена и уровень трофии озер.

L_k = 0.025z ^0.6 , (8)

L_k = 0.050z ^0.6 , (9)

Lк = [ P ] ^B q_S ( 1+  Z/ q_S ) , (10)

где – Lк – величина фосфорной нагрузки гР / (м² год);

q_s = Z / _w – гидравлическая нагрузка;

Z – средняя глубина;

_w – время условного водообмена, лет;

[P]^В – концентрация общего фосфора в период весеннего перемешивания в мгР/м³.

Для сохранения олиготрофного состояния принимается – [P]^B  10 мг/м³, для сохранения мезотрофного – [ P ]^B 20 мг/м³. В 1980 году Фолленвайдер и др. показывают, что для крупных холодноватых озер с замедленным водообменом величина критической концентрации фосфора должна быть увеличена до 0.025 мг/л.

Уравнениe средней концентрации фосфора в озере было предложено: Диллоном, в1975году:

Lp( 1 - Rp)

[ P ]оз. = ---------------, (4)

Z 

где – Lp – фосфорная нагрузка, мгP /м² год; Z – cредняя глубина, м; Rр – коэффициент удержания фосфора в водоеме;  – величина обратная времени водообмена, год ^-1;