7.7. Термический и ледовый режим озер

7.7.1. Тепловой баланс озер

Для большинства озер главными приходными составляющими теплового баланса являются солнечная радиация _С, поступление теплоты из атмосферы при турбулентном теплообмене ⁺_атм, от донных грунтов ⁺_гр, с речным стоком ⁺_реч и подземными водами ⁺_подз, выделение теплоты при конденсации водяного пара _конд и при ледообразовании _лед. Теплота расходуется в озерах на эффективное излучение I, при передаче в процессе турбулентного теплообмена в атмосферу ^-_атм, при поступлении в грунты дна ^-_гр, на испарение _исп и таяние льда _пл. Часть теплоты ^-_реч уносится из озера с вытекающими из него речными водами (для сточных озер) и с подземным оттоком ^-_подз. В результате сочетания прихода и расхода теплоты изменяется теплосодержание вод в озере ∆.

С учетом сказанного, общее уравнение теплового баланса водного объекта (2.7) применительно к озеру можно представить в следующем виде:

с + ⁺_атм + ⁺_гр + ⁺_реч + ⁺_подз + _конд + _лед =

= I+ ^-_атм +^-_гр + ^-_реч + ^-_подз + _исп + _пл ±∆. (7.21)

Напомним, что солнечная радиация _с = (Q+q)(1 – r), где Q и q — прямая и рассеянная солнечная радиация; r — альбедо поверхности озера. Разность _С и I составляет так называемый радиационный баланс. _конд, _лед, _исп, _пл определяют по формулам (1.11) —(1.12). Величины поступления и уноса теплоты с речным стоком можно определить по формуле теплового стока рек (6.57). Члены уравнения теплового баланса озер выражают либо в единицах теплоты, Дж, либо (чаще) относят к единице площади озера (Дж/м²).

Изменение теплосодержания вод в озере ∆ = c_ppV∆T, где V— объем озера (или рассматриваемого его слоя); ∆Т — изменение температуры воды. Если приходная часть уравнения теплового баланса больше расходной, то ∆>0, и вода в озере нагревается (∆Т>0). В противоположном случае ∆<0, и вода в озере охлаждается (∆Т<0).

Для большинства озер наибольший вклад в приходную часть уравнения теплового баланса дает _С, а также ⁺_атм. Наиболее важным видом расходования теплоты в озерах являются потери на испарение _исп. Поступление и унос теплоты с речным стоком зависят от величины притока и оттока вод. У крупных озер 0 обычно составляет 2—3% приходной или расходной части уравнения. Однако у небольших озер (а тем более водохранилищ) 0^ может достигать 20—25%.

Нагревание и охлаждение озер осуществляется главным образом через их поверхность (солнечная радиация, эффективное излучение, теплообмен с атмосферой, потери теплоты на испарение). Передача теплоты по вертикали (от поверхности на глубину и наоборот) происходит в озере вследствие вертикального перемешивания—конвективного и динамического.

7.7.2. Термическая классификация озер

Прежде чем изложить суть простейшей термической классификации озер, предложенной еще в XIX в. швейцарским озероведом Ф.А. Форелем, остановимся на типах термической стратификации в водоемах.

Увеличение температуры воды от дна к поверхности называется прямой температурной стратификацией; уменьшение температуры воды от дна к поверхности носит название обратной температурной стратификации; наконец, равномерное распределение температуры воды по глубине называется гомотермией.

Ф.А. Форель подразделил все пресноводные водоемы мира на три группы: 1) полярные (или холодные) с температурой в течение всего года ниже 4 °С и с преобладанием обратной температурной стратификации (рис. 7.9, а); 2) тропические (или теплые) с температурой в течение всего года выше 4 °С и с преобладанием прямой температурной стратификации (рис. 7.9, б); 3) озера в условиях умеренного климата с температурой выше 4 °С и прямой температурной стратификацией летом и температурой ниже 4 °С и обратной температурной стратификацией зимой (рис. 7.9, в).

Формирование как прямой, так и обратной температурной стратификации, а тем более трансформация прямой стратификации в обратную и наоборот сопровождается вертикальной циркуляцией вод в озере, т. е. вертикальным перемешиванием.

Д. Хатчинсон, учтя характер вертикальной плотностной циркуляции в водоеме, обусловленной нагреванием или охлаждением вод, несколько усовершенствовал термическую классификацию Фореля. Хатчинсон выделил озера, во-первых, амиктические, которые, находясь весь год подо льдом, по вертикали никогда не перемешиваются; во-вторых, голомиктические, подверженные вертикальному перемешиванию до самого дна; в-третьих, меромиктические, в которых из-за большой разницы в плотности поверхностных и глубинных слоев, вызванной различием в их минерализации, перемешивание охватывает лишь верхний слой. Голомиктические озера подразделяются, в свою очередь, на мономиктические и димиктические. Мономиктические озера перемешиваются по вертикали лишь один раз в году: либо летом (это теплые озера по классификации Фореля), либо зимой (холодные озера). Димиктические озера перемешиваются дважды в год — весной и осенью; это озера умеренного климата по классификации Фореля.