14. Гидрология водоемов (лимнология)

14.1. Общие сведения

Лимнология – отрасль гидрологии, изучающая водоемы замедленного массообмена – озера, водохранилища, пруды.

Озера и водохранилища часто объединяют под общим названием «озеровидные водоемы». Они существенно отличаются как от морей, так и от рек. Основное отличие озера от моря – отсутствие непосредственного водообмена с океаном. Исключение составляют озера морских побережий, в которых водообмен с морем или океаном осуществляется периодически.

Если в реках главной причиной движения воды является градиент силы тяжести, то в озерах – ветер. Однако во многих проточных озерах существуют течения, характерные для рек. В свою очередь плесы медленно текущих рек, особенно пересыхающих в межень, имеют ряд особенностей, типичных для озер. Режим стариц весной имеет часто речной, а в межень – озерный характер.

Водная масса озера располагается в его котловине. Степень заполнения котловины зависит от водного баланса (поступления воды в водоем и потерь ее из него). Водное питание, колебания объема водной массы и уровня, особенности режима озер зависят от размеров и географических условий их бассейнов, поэтому понимание режима озер неразрывно связано с изучением их водосборов.

Вследствие замедленного водообмена вода в озере претерпевает существенные изменения и приобретает особенности, значительно отличающие ее от поступающих вод стока и атмосферных осадков.

Благодаря значительной тепловой инерции водной массы крупные озера смягчают климат прилегающих районов, уменьшая годовые и сезонные колебания метеорологических элементов.

В водах озер происходят химические и биохимические реакции. Одни элементы переходят из воды в донные отложения, другие – наоборот. В результате непрерывного накопления органических и минеральных веществ донные отложения могут составлять в водоемах большой объем.

Наряду с существенным воздействием на режим природных озер, люди создают искусственные озера – водохранилища с целью наиболее полного и комплексного использования природных вод. Их режим заранее проектируется с учетом влияния физико-географических факторов и запросов народного хозяйства и в дальнейшем регулируется гидротехническими мероприятиями. В связи с этим режим водохранилищ приобретает ряд особенностей, отличающих их от озер, и вызывает необходимость выработки специфических методов исследования. Влияние больших водохранилищ на ландшафт окружающих районов не уступает влиянию крупнейших озер.

Значение озеровидных водоемов в народном хозяйстве чрезвычайно велико: здесь развито рыбное хозяйство и рыбные промыслы, проходят транспортные пути; из озерных отложений добывают минеральное и органическое сырье; озера и водохранилища во многих случаях являются источниками водоснабжения и орошения; лечебные грязи (донные отложения) некоторых озер широко используются в медицине.

14.2. Происхождение и морфология водоемов

Углубление на суше, в котором расположен водоем, называется котловиной. С происхождением (генезисом) озерных котловин тесно связаны их размеры и форма, а следовательно, в определенной степени и режим озер. Ниже приводится краткая характеристика основных генетических типов озерных котловин.

Тектонические котловины образованы в понижениях, возникших в результате тектонических движений земной коры (трещин, сбросов и др.). Для них характерны большие глубины (Байкал – 1741 м, Танганьика – 1435 м, Ньяса – 706 м, Иссык-Куль – 702 м и т.д.) и крутые склоны. Часто такие котловины в дальнейшем преобразуются под воздействием других факторов.

Ледниковые котловины возникли в связи с деятельностью ледников (древних или современных). В формировании их сыграли роль эрозионные процессы при таянии ледника или аккумулирование воды среди моренных отложений (скоплений обломков горных пород, перемещаемых ледниками или отложенных при их таянии).

Озера речного и морского происхождения. Сюда относятся: с т а-р и ц ы (некогда бывшие русла), широко распространенные в долинах рек; одни из них сообщаются с реками во время половодий и паводков, другие обособлены от них; разобщенные в межень п л е с ы пересыхающих рек в районах недостаточного увлажнения; д е л ь т о в ы е озера, распространенные в дельтах крупных рек; л а г у н н ы е и л и- м а н н ы е озера морских побережий – большей частью это заливы, отшнурованные от моря наносами или устьевые участки рек, отчлененные от моря наносами, косами или барами; ф и о р д о в ы е озера, образованные в отделенных от моря наносами или завалами участках фиордов.

Провальные озера. Сюда относятся: к а р с т о в ы е о з е р а, возникшие в районах распространения известняков, доломитов, гипсов, легко подвергающихся растворению; п р о с а д о ч н ы е (суффозионные) озера, образующиеся в районах, где подземные воды растворяют и вымывают из почв и грунтов некоторые соли, цементирующие их, вызывая оседание участков местности.

Вулканические озера возникли в кратерах или среди лавовых полей.

Завальные озера образовались в результате горных обвалов или обвалов при землетрясении, преградивших речные долины.

Вторичные озера – это небольшие озера, возникшие на месте заросших озер и на болотах (большей частью в сфагновом торфе), а также при выгорании участков торфяных массивов и связанных с ним просадках.

Размеры и форма озерных котловин весьма различны. Наряду с почти правильными воронками распространены озера чрезвычайно причудливых форм с сильно изрезанными берегами и озера с настолько плохо выраженными котловинами, что трудно даже установить их границы.

Озерная котловина может представлять собой или одну простую впадину, или сложную, включающую несколько впадин и возвышений. Некоторые возвышения, поднимаясь над поверхностью воды, образуют острова.

Рельеф дна и очертания озерных котловин под воздействием внешних факторов (текучие воды, ветры и пр.) и процессов, протекающих в самих водоемах (волны, течения, жизнедеятельность водных растений и организмов), постепенно видоизменяются.

В различных частях котловины, в зависимости от глубины, рельефа дна и конфигурации берегов, создаются специфические особенности режима водных масс и условия жизнедеятельности организмов. В связи с этим в озерах (за исключением мелких) выделяются две зоны: л и т о р а л ь – прибрежная часть, в которой дно подвержено воздействию волн и п р о ф у н д а л ь – глубинная область, в которой волны непосредственно не воздействуют на дно. Литораль является местообитанием высшей водной растительности. Переходным участком между этими двумя основными зонами служит с у б л и т о р а л ь, составляющая вместе с литоралью прибрежную область озера.

Преобразование котловины идет в двух направлениях: формирование берегов и накопление донных отложений. Под воздействием ветровых волн формируются профили берегов и видоизменяются очертания береговой линии. Размыву в первую очередь подвергаются выступы берега (мысы), в бухтах преобладает аккумуляция наносов и ила. Постепенно береговая линия приобретает более сглаженные очертания, а в прибрежных частях водоемов образуются отмели.

Наносы, пополняющие донные отложения, поступают с водосборов при стоке и ветровом выносе, образуются при разрушении берегов и отмирании водной растительности и организмов. Котловины многих озер заполнены массой донных отложений, превосходящей по своей толщине в несколько раз глубину воды. При интенсивном зарастании водоема растительностью и прогрессирующих донных отложениях конечной стадией развития озера может стать болото.

Водохранилища отличаются значительно от озер, как по формированию котловин, так и по режиму. Размеры водохранилищ определяются рельефом, размерами затопленной долины и дальностью распространения подпора.

По строению котловин различают водохранилища о з е р н о г о и р е ч н о г о типов. Первые расположены в озеровидных расширениях речных долин или возникают при затоплении нескольких речных долин и их водоразделов. Вторые представляют собой затопленные участки сравнительно узких речных долин и делятся на два подтипа: при затоплении поймы до коренных берегов (или террас) водохранилище называется д о л и н н ы м; при затоплении русла и небольшой части поймы – р у с л о в ы м.

В каждом крупном водохранилище выделяются характерные части котловины, отличающиеся по морфологическим особенностям и по некоторым чертам режима расположенных в них водных масс.

Н и ж н я я, п р и п л о т и н н а я (о з е р н а я) часть глубоководна при любой отметке уровня. Скорости течений невелики и меняются с направлением ветра, особенно в межень. Взвешенных наносов мало. В профундали наносы мелкие, у берегов – крупные. Волнение сильное и при прочих равных условиях больше, чем в остальных частях водоема. Дно, за исключением прибрежной части, не подвержено воздействию волн. Переработка берегов активная.

С р е д н я я (о з е р н о-р е ч н а я) часть глубоководная только при высоких уровнях; при сработке вода полностью не входит в меженное русло и пойма остается затопленной. Продольные течения сказываются сильнее, чем в нижней части, но подвержены изменениям под воздействием ветра. Волнение воды и переработка берегов слабее, чем в нижней части. При сработке глубина уменьшается настолько, что все дно практически находится под воздействием волн и быстро нивелируется.

В е р х н я я (р е ч н а я) часть: при высоких уровнях – мелководный озеровидный водоем; при низких – вода большей частью входит в меженное русло, но подпор сохраняется. Большие глубины бывают только в русле. Продольные скорости течения значительны. Крупные наносы отлагаются ближе к середине. Волнение слабое и переработка берегов либо отсутствует, либо мала.

Основные морфометрические показатели водоема. Имея крупномасштабный план водоема, можно определить следующие морфометрические показатели его поверхности: площадь зеркала (f₀) и площади, ограниченные изобатами (f₁ , f₂ , f₃ , . . . , f_n), длину (L), ширину (В), длину развития береговой линии ( l ), коэффициент развития береговой линии (к_р).

Первые два показателя определяются достаточно точно способом планиметрирования. Длина водоема L – это кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными точками береговой линии, измеренное по его поверхности. Длина может изображаться на плане водоема прямой или ломаной линией, не выходящей за пределы водоема.

С р е д н я я ш и р и н а В_ср = f₀ / L; м а к с и м а л ь н а я ш и р и н а В_max – наибольшее расстояние между берегами по перпендикуляру к длине водоема.

Д л и н а б е р е г о в о й л и н и и l измеряется по урезу воды (нулевой изобате). Р а з в и т и е б е р е г о в о й л и н и и характеризуется отношением ее длины к периметру круга, имеющего площадь, равную площади зеркала водоема

(14.1)

О б ъ е м в о д о е м а V может быть определен путем отождествления всей котловины его или отдельных ее частей с правильными геометрическими телами (конусом, пирамидой и пр.) или путем суммирования объемов фигур, построенных на площадях f_i , ограниченных изобатами (рис. 14.1). В последнем случае

(14.2)

Рис. 14.1. План озера в изобатах.

У д е л ь н ы й в о д о с б о р F_уд – отношение площади водосбора F к площади зеркала водоема f₀.