14. Водный баланс озера. Режим уровня воды в озерах
Уравнение водного баланса озера в общем виде:
, (25)
где изменение запасов воды в озере за рассматриваемый промежуток времени,
– приходная часть
уравнения водного баланса,
– расходная часть
уравнения водного баланса.
К основным приходным элементам уравнения водного баланса озера относятся атмосферные осадки, выпадающие на зеркало озера, конденсация водяного пара, приток подземных вод к озерной котловине, поверхностный приток.
Расходная часть уравнения водного баланса: испарение, фильтрация озерных вод в озерную котловину, сток вытекающих рек.
Уровенный режим озер
Многолетние колебания воды в озере зависят от климатических факторов. Сезонные колебания определяются в основном притоком воды как русловым, так и распределенным (особенно в период таяния снегового покрова). Колебания уровня воды в озерах также зависят от соотношения элементов водного баланса. Если приходная часть уравнения водного баланса больше расходной, уровень воды в озерах растет, увеличивается объем водной массы и наоборот.
Краткосрочные изменения уровня воды в озерах могут быть вызваны ветровой деятельностью (за счет ветра формируется нагон воды на одном берегу и сгон на другом). Разность атмосферного давления над отдельными частями водоема приводит также к возникновению перекосов водной поверхности (деневеляций), что приводит к изменению уровня без изменения объема водной массы. Так образуются сейши – стоячие волны большого периода. При этом колеблется вся водная масса вокруг неподвижной оси, называемой узлом сейши.
15. Тепловой баланс озер и термический режим
Процессы теплообмена воды с атмосферой наиболее интенсивно происходят в самых верхних слоях озера. Перенос тепла вглубь осуществляется как при непосредственном проникновении солнечной энергии в воду, так и при перемешивании. Ледяной покров и снег препятствует теплообмену
с атмосферой и уже при толщине льда и снега 10-20 см он практически прекращается.
Уравнение теплового баланса водоема имеет следующий вид:
, (26)
где
изменение запасов тепла в озере за
рассматриваемый промежуток времени,
–
прямая и рассеянная солнечная радиация,
– эффективное излучение (разница между
длинноволновым излучением водоема и
атмосферы),
–
турбулентный теплообмен с атмосферой,
–
теплообмен с дном,
–
поступление и потеря тепла со стоком
втекающих и вытекающих рек,
–
поглощаемое или выделяемое тепло при
фазовых переходах воды (испарение,
конденсация, ледообразование и плавление
льда),
–
теплообмен
с грунтовыми
водами,
–
тепло, выделяемое или затрачиваемое
при биохимических реакциях в водоеме.
Термический режим водоема (изменение распределения температуры по глубине или термическая стратификация), определяется соотношением элементов теплового баланса озера и зависит от времени года, географической широты местности, объема водной массы и формы озерной котловины.
В течение года наблюдается три основных вида термической стратификации: обратная (увеличение температуры с глубиной), прямая (уменьшение температуры с глубиной), гомотермия (температура одинакова по глубине).
Период осеннего охлаждения начинается с начала отдачи тепла водой
в атмосферу и заканчивается установлением осенней гомотермии – температуры наибольшей плотности воды по всей глубине водоема. После установления гомотермии наступает период зимнего охлаждения, в результате которого устанавливается обратная термическая стратификация. У нижней кромки льда температура воды приближается к нулю, а у дна – к 40С. В период весеннего нагревания формируется весенняя гомотермия. На крупных водоемах этот процесс может растягиваться до середины лета. В период летнего нагревания, который начинается после установления весенней гомотермии формируется прямая температурная стратификация.
В этот период вся водная толща разбивается на три вертикальные термические зоны:
- эпилимнион – верхняя зона с малыми градиентами температуры,
- металимнион или термоклин – средняя с высоким градиентом температуры,
- гиполимнион – нижняя, холодная с малыми градиентами температуры. Эпилимнион является слоем перемешивания, а термоклин затрудняет перемешивание более глубоких слоев воды. Толщина этих слоев зависит от размеров водоема и интенсивности ветровой деятельности. Мелководные водоемы могут быть перемешаны до дна и для них типична летняя гомотермия. В течение лета слой температурного скачка (термоклин) постепенно опускается на большую глубину и к началу осеннего охлаждения исчезает.
В водоемах, где присутствуют мелководные и глубоководные зоны, процесс нагревания и охлаждения происходит с разной интенсивностью и
в разные сроки. В мелководной зоне в весенний период формируется прямая стратификация, когда в глубоководной зоне всё еще сохраняется обратная. Это приводит к образованию между этими зонами вертикального слоя воды
с температурой наибольшей плотности, который называется термическим баром.