книги из ГПНТБ / Богословский, Б. Б. Основы гидрологии суши. Реки, озера, водохранилища

3. Водный баланс и уровни воды

Изменение количества .воды, находящейся в озере, опреде­ ляется соотношением поступления ее в водоем и потерь из него, т. е. в о д н ы м б а л а н с о м озера. Уравнение водного баланса при выражении его составляющих в объемных единицах (м3, км3) может быть представлено в следующем общем 'виде:

X Уп + Угр + Я-— 2 — Уст — Уф = i АУ,

где X — атмосферные осадки на зеркало озера;

Уп — поверхностный приток в озеро с водосбора; Угр — подземный приток;

К — конденсация водяных паров на зеркало; Z — испарение с водной поверхности озера;

Уст — поверхностный сток из озера; Уф — фильтрация (подземный сток из озера);

А У — изменение объема воды в озере за расчетный период— разность между приходной и расходной частью балан­ са (в отдельные годы, сезоны и периоды может быть отрицательной или положительной).

В среднем многолетнем годовом балансе, если не наблюда­ ется прогрессирующего увлажнения или усыхания климата, при­ ходная часть равна расходной и А V может быть принято рав­ ным нулю. Тогда, объединив поверхностный приток и сток е под­ земным, уравнение среднего многолетнего годового водного ба­ ланса можно представить в виде

х + Упр — Уст—2 = 0.

Если составляющие водного баланса выразить в виде слоя (мм, см), вместо ДУ будет Ah — изменение уровня за расчетный пе­ риод.

Помимо основных составляющих в расходную часть может входить изъятие 'воды на хозяйственные нужды (.водоснабжение, орошение и т. л.)—Р. При расчете сезонного и месячного балан­

сов должны учитываться потери воды на льдообразование и при­ ход при его таянии (±Ь).

По особенностям водного баланса озера делятся на с т о ч ­ ные и б е с е то' ч и ьг е. Каждое сточное озеро дает начало како­ му-либо водотоку, водный баланс его соответствует приведенно­ му выше уравнению водного баланса. Бессточные озера не име­

ют ни поверхностного, ни подземного стока1. Уравнение водного баланса для них примет вид

X + Ya + Yrp + K - Z ~ ±ДУ.

Определение подземного притока и стока озер в большинстве случаев

140

Озера с перемежающимся стоком при высоких уровнях яв­ ляются сточными, при низких — бессточными.

При расчетах водного баланса количество атмосферных ' осадков (X) для малых и средних озер можно принимать по дан­ ным ближайших метеостанций, находящихся в сходных с озе­ ром условиях. Для крупных водоемов типа Ладожского, Байка­ ла и других следует иметь в виду, что количество осадков на их акваторию меньше, чем на суше, и использовать материалы островных, судовых наблюдений или данные по озерам-анало­ гам.

Поверхностный и подземный сток и приток определяются ме­ тодами, принятыми в расчетах стока (см. первую главу). Часто за неимением фактических данных подземные составляющие ба­ ланса -находят из уравнения водного баланса.

Для расчета испарения с водной поверхности применяется формула

парами воздух, тем больше испарение.

Помимо испарения с открытой водной поверхности, для за­ растающих озер большое значение имеет транспирация, зави­ сящая как от метеорологических условий, так и от вида, высоты и густоты растительности. В среднем для лесной и лесостепной зон испарение с зарослей высшей водной растительности пример­ но в 1,3, а для степной и полупустынной — примерно в 1,5 раза больше, чем с открытой водной поверхности.

На испарение с водной поверхности существенно влияет ми­ нерализация ©оды. С увеличением минерализации испарение

ние с рассолов высокой концентрации (более 100°/оо) значитель­ но меньше испарения с пресной воды. Так, исларени-е с рассолов оз. Эльтон при солености 200°/оо на 29% меньше испарения с по­ верхности пресной воды, а при солености 360% о — на 91%. Испа­ рение с соленых озер зависит и от солевого состава вод.

При недостаточности фактических данных для расчета испа­ рения оно может быть приближенно оценено по картам испаре-

141

ния с водной поверхности. Такие карты составлены для терри­ тории СССР 'в 1946 г. В. Д. Займовым и в 1954 г. А. П. Браслав­ ским и 3. А. Викулиной. Более детальные карты испарения с водной поверхности составлены для отдельных районов.

80

^60

Соотношение составляющих водного баланса озер -обуслов­ лено в первую очередь географической зональностью, которая определяет распространение сточных озер в увлажненной и бес­ сточных— в засушливой зоне (рис. 34). В зоне избыточного ув­ лажнения, где количество атмосферных осадков (X ) превышает испарение с водной поверхности (Z B), озера могут существовать и давать сток даже при -отсутствии притока вод с -водосбора.

Вэтой зоне характерна руководящая -роль притока с водосбора

вприходной и стока из озер-в расходной части баланса (Онеж­ ское озеро, Пяозеро, см. рис. 34).

Значительное превышение испарения (2В) над осадками,

142

свойственное засушливой зоне, обусловливает, во-первых, бессточность озер, во-вторых, возможность существования непере­ сыхающих озер только при наличии значительного поверхност­ ного или подземного притока с бассейнов. Приток речных вод в крупные озера этой зоны (Аралыское, Каспийское, Балхаш и др.) происходит из районов с более благоприятными условия­ ми стока — избыточно увлажненных равнинных (в Каспий) или горных (в Арал и Балхаш). В водном балансе озер, бассейны которых лежат целиком в аридных районах, часто значительно подземное питание. Так, для озер юга Западной Сибири оно со­ ставляет в оз. Кулундинеком и Сартлан 20, в оз. Кучук 30, в оз.

Чебаклы 48% прихода.

Не менее важную роль в водном балансе играют морфомет­

ше площадь бассейна и меньше площадь зеркала, т. е. чем боль­ ше величина A F, тем 'Сильнее воздействие водосбора на водный баланс и больше доля стока в приходной и расходной части ба­ ланса. Так, в водном балансе Пяовера (АК = 20,5) приток с во­ досбора составляет 91 % приходной части, а сток — 96% расход­ ной, в то время как для расположенного в близких географиче­ ских условиях, но имеющего меньший A F (5,3) Онежского озон? приток дает только 72, а сток 84%■ Боле-е резкое возрастание доли притока в водном балансе при увеличении удельного водо­ сбора наблюдается в районах с большими значениями коэффи­ циента стока.

Увеличение роли притока с ростом величины A F четко про­ слеживается и в аридной зсне. Так, в приходной части баланса

Особенности зональных и азональных изменений характера водного баланса положены в основу .приводимой ниже класси­

парение с их зеркала (Уст > Z ), озера второй группы характери­ зуются обратным соотношением (Z>Ycr).

Внутри каждой группы можно выделить три типа озер, раз­ личающихся по структуре приходной части баланса: п р и т о ч ­

144

Стоковые озера присущи увлажненной, испаряющие — засуш­ ливой зоне. Помимо зональности, типы озер «вязаны с величина­ ми AF. К стоково-приточному типу 'относится большинство озер увлажненной зоны, к испарительно-приточному — в первую оче­ редь крупные озера засушливой зоны с 'большими значениями AF. К нейтральному и дождевому типам принадлежат озера обеих зон с малыми величинами AF.

Рис. 36. Схема классификации озер по водному балансу

Величины и соотношение элементов водного баланса озер подвержены колебаниям как внутри года по сезонам, так и по годам и периодам с различной водностью. Внутригодовые коле­ бания их связаны с распределением в году стока, осадков и испа­ рения. Так, наибольший среднемесячный приход воды в Ладож­ ское озеро (по расчетам Т. И. Малининой за период 1932— 1958 гг.) наблюдается в мае, во время максимального стока с водосбора, и достигает 13% годового прихода; наибольший рас­ ход воды приходится на июнь (11% годового). Наименьший при­ ход и расход бывает в феврале и составляет соответственно 5,5 и 4,9% годового. Приток с водосбора Ладожского озера в мало­ водный 1940 г. равнялся 38 км3 (55% среднемноголетнего), а сток из озера—42 км3 (57% среднемноголетяего). В многовод­ ном 1958 г. приток превышал среднемнополетний на 32, а сток—■ на 35 %. По данным А. Г. Пронина, приток в озера северо-запа­ да Европейской территории СССР и осадки на их зеркало в ма­ ловодный период (1937—1956 гг.) были на 20—35% ниже, а в многоводный (1922—1936 гг.) — на 10—25% выше нормы.

Колебания уровней воды озер происходят при изменениях объемов вод этих водоемов, связанных с их водным балансом. Движения вод (волны, течения, стоны и нагоны, сейши) наруша­ ют горизонтальное положение поверхности водоемов и приводят к колебаниям уровня (денивеляциям), различным в разных уча­ стках одного и того же озера.

Колебания уровней, связанные с изменениями объема воды в водоемах, бывают периодическими, отражающими ход состав­ ляющих водного баланса в течение года или более длительного

периода, и непериодическими, зависящими от случайных измене­ ний той или иной составляющей баланса. В периоды преоблада­ ния приходной части баланса над расходной ’происходит подъем уровня; преобладание расходной части вызывает понижение

уровня.

Внутригодовые колебания уровней озер, как и составляю­ щих водного баланса, подчиняются географической зональности. Кроме того, колебания уровней зависят от морфометрических особенностей озер и их водосборов и в первую очередь от вели­ чины удельных водосборов.

В озерах, имеющих небольшую по сравнению с площадью водосбора площадь зеркала (значительную величину A F), ам­ плитуда колебаний уровня больше, чем в озерах с относительно значительной площадью зеркала (малой величиной A F). Так, средняя годовая амплитуда колебаний уровня Онежского озера, площадь водосбора которого -всего в 6 раз больше площади зер­ кала, не превышает 1 м, в то время как в Кубенском озере (пло­ щадь водосбора в 40 раз больше площади зеркала) она дости­ гает 3,5 м. Зависимости средних годовых амплитуд колебаний уровней воды озер (Лн) от их удельных водосборов (А К) при­ ведены на рис. 35, б. Эти зависимости показывают, что более резмие колебания уровней наблюдаются в районах со слабо за­ регулированным -стоком (центр Европейской части СССР); при более зарегулированном стоке (Карелия) колебания уровней меньше.

Зависимость характера колебаний уровней водоемов от гео­ графической зональности хорошо прослеживается на примере озер СССР. На достаточно и избыточно увлажненной террито­ рии тундры и лесной зоны Европейской ча-сти СССР преоблада­ ет снеговое питание рек и о)зер, -сток д-оминир-ует как в приход­ ной, так и в расходной части воднот-о баланса водоемов, потери -на испарение -сравнительно невелики. Ход уровней озер характе­ ризуется четко выраженным весенним подъемом, плавным спа­

По мере перехода от увлажненных территорий к засушли­ вым потери на испарение начинают играть существенную роль в водном балансе, в связи с чем -среди o-зер преобладают бессточ­ ные. Многие озера засушливых -областей характеризуются ве­ сенним подъемом уровня с последующим -спадом вплоть до пол­ ного пересыхания в засушливые годы (Сарапияские озера в Прикаспии и др.). Другие озера отличаются сравнительно неболь­

146

грунтовыми и дождевыми «одами (озера Барабмнской и Кулундинской степи в Западной Сибири, рис. 37, б).

Для озер, питающихся талыми водами ледников и высоко­ горных снегов, характерен летний .максимум уровня. К таким водоемам относятся как крупные озера засушливых равнин, по­ лучающие питание из горных частей бассейнов (Арал, Балхаш, Зайсан), так и гарные озера (Иссык-Куль, Телецкое, рис. 37, в; ряд озер Кавказа, Алтая). Амплитуды колебаний уровней варь­ ируют от 0,5—1 (Севан, Иссык-Куль) до 4—5 м (Телецкае).

Рис. 37. Графики колебаний уровней воды в средние по вод­ ности годы в озерах Плещеево (Переславское), 1948 г. (а), Убинс.кое, 1950 г. (б), Телецкое, 1949 г. (в), Байкал, 1940 г. (г)

и Ханка, 1949 г. (д)

На режиме озер Дальнего Востока, Забайкалья, ряда райо­ нов северо-шостока СССР, Камчатки сказывается преобладание

37, г) и ряда озер Забайкалья. Для озер верхних частей бассейнов Я'НЫ и Индигирки характерны весенний подъем уровня от снего­

вызывают подъемы уровней с весны до коица лета. На озере Ханка (ДВК) с 'Преобладанием дождевого питания -авязины паводкообразные колебания уровня в течение всей теплой части года (рис. 37, д).

В озерах происходят не только внутригодовые, но и много-

.летние или вековые колебания уровней. Последние связаны с колебаниями климата (атмосферных осадков, летних темпера­ тур воздуха и связанного с ними испарения) различной периодич­ ности. Вековые колебания необходимо учитывать при характери­ стике режима уровней озер для различных народнохозяйствен­ ных целей.

4. Термина озер

Термическое состояние озера Обусловлено приходом и поте­ рями тепла и распределением тепла по глубине и объему.

Основными показателями термики озер являются теплозапас, т. е. количество тепла, содержащееся в озере (в калориях на весь водоем или в калориях «а 1 ом2 его зеркала), и темпера­ тура воды. Теплозапае зависит от соотношения прихода и потерь тепла, т. е.-от теплового баланса водоема. Поступление и отда­ ча тепла происходит главным образом через поверхность озера. Распределение тепла в воде озер связано с происходящими в ней движениями: течениями, волнами, перемешиванием.

Таким образом, термическое состояние озера в любой мо­ мент времени является, с одной стороны, функцией географиче­ ского положения озера и его бассейна, от которого зависит кли­ мат, метеорологические условия, а .следователья-о, и тепловой баланс, с другой,—функцией динамики вод, обусловленной как воздействием метеорологических факторов и стока, так и фор­ мой и размерами котловин.

Тепловой баланс озер может быть -представлен в виде урав­ нения-

148

Qoc — тепло, поступающее с жидкими осадками или затр а чиваемое на таяние твердых осадков;

Qx — тепло, выделяемое при льдообразовании или затра­ чиваемое на таяние льда;

Q6 — тепло, выделяемое или затрачиваемое при биологи­ ческих и биохимических процессах;

QM— поступление тепла за счет перехода механической энергии в тепловую;

A Q — изменение теплозапаса озера за исследуемый период времени.

Поглощенная водой солнечная радиация (Qp ) настолько превышает остальные источники прихода, те'пла, что в расчетах обычно принимается за единственный источник напрева вод.

Основные потери тепла происходят за счет испарения (Q„), теплообмена с атмосферой (QTa) и эффективного излучения (Q3„ )• В годовом балансе теплообмен с дном (QTa) и изменения тепла, связанные с ледовыми явлениями (С2Л), нивелируются, так как в каждом из них приход и расход тепла компенсируется. <2л учитывается только в периоды ледовых явлений, a Q7Jl мо­ жет иметь значение для неглубоких (менее 20 м) озер. Осталь­ ными составляющими можно пренебречь. Сказанное подтверж­ дается данными расчетов теплового баланса озер различных географических зон СССР. Потери тепла на испарение домини­ руют в расходной части теплового баланса озер в любых геогра­ фических условиях. Значение их возрастает с севера на юг, в то время как относительная роль потерь на эффективное излучение и турбулентный теплообмен с атмосферой снижаются в том же направлении. Так, Сенежское озеро (Московская Область) теря­ ет за счет испарения (QH) 46% тепла, поступившего на его по­ верхность от солнечной радиации, за счет излучения (Q3„ ) —32, за счет теплообмена с атмосферой (QTa) —18,4%. Для Убинского озера (Новосибирская область) Q„ составляет 63, Q3li-—27, Qта—6,5%, для озера Барманцак (Прикаспий) —73, 23,6 и 1,6% соответственво.

В периоды преобладания приходной части теплового балан­ са над расходной теплозалас и температура воды озера увели­ чиваются, при превышении расходной— уменьшаются. Более интенсивно орогреваются мелкие озера небольшого объема, зна­ чительно медленнее —крупные и глубокие. Так, по данным П. Ф. Домрачева, средняя температура воды во время наиболь­ шего летнего прогрева достигает в некоторых мелких (глубина

их размеров и формы) до второй половины лета. Зимой в мелких ■слабопроточных озерах ощутимо оказывается прогрев от дна, получившего значительное количество тепла из воды летом. Он

t4B