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

ными градиентами (плотности. Такие течения наиболее устойчивы в крупных глубоких озерах оо сложным строением -котловин и большими различиями глубин в центральной и прибрежной ча­ стях. Весенне-летний пропрев и осеннее охлаждение вод таких озер происходит более интенсивно в мелководных прибрежных, чем в глубоких центральных районах. Значительные различия абсолютных значений 'Температур и высокие горизонтальные температурные (градиенты между этими участками озер, особен­ но весной и осенью, (приводят к формированию устойчивых плот­ ностных течений, носящих обычно циклональный характер (дви­ жение против часовой стрелки). Наибольшие старости течений наблюдаются на 'участках 'перехода от прибрежий к глубокой части, к которым приурочены максимальные горизонтальные градиенты температур воды.

Плотностная циркуляция наиболее устойчива при скоростях ветра до 5—6 м/с, и хорошо прослеживается до глубин 50 и бо­ лее метров. Средние скорости течений невелики (в Ладожском и Онежском озерах на поверхности —4—5, на глубине 25 м — 3—4, на глубине 50 м —1—2 ем/с), (наибольшие того же поряд­ ка, что и скорости дрейфовых течений (на поверхности—25—35,

С т о к о в ы е течения связаны с поступлением в водоем вод притоков и стоком через вытекающие реки (в водохранилищах 'со сбросами воды через плотины). Часть стокового течения, -про­ ходящая с мало изменяющимися расходами воды через водоем или его участок, называется транзитным течением. Обязатель­ ным условием развития -стокавоно течения является уклон вод­ ной поверхности. Течения эти в крупных озерах 'сказываются в районах устьев притоков или .истоков вытекающих рек. На Бай­ кале, например, течения от впадающих ,рек наблюдаются на рас­ стояниях 1—3 км от устьев, втягивание вод в исток Ангары при­ мерно на таком же .расстоянии. Воды рек Волхова и Овири, впа­ дающих в Ладожское озеро с юга и юго-востока, по косвенным признакам обнаруживаются в север-о-восточной части водоема.

Стоковое течение в средней части озера Балхаш, связанное с (разностью уровней воды в его западной части, пополняемой во­ дами -р. Или, и восточной, отличающейся большими потерями во­ ды на испарение, имеет скорость 0,5—4 м/с.

Примером водоема с течениями, обусловленными как сто­ ком, так и режимом ветров, может служить Аральское море. Ос­ новное течение в -нем направлено от устья Амударьи вдоль за­ падных берегов .на север, затем на.восток и .юг к устью Сырдарьи. Оно поддерживается, кроме стока, преобладающими юго-восточ­ ными Петрами (в районе устья Амударьи.

С г о н ы и н а г о н ы —перекосы уровня с понижением его (огоном) у одного берега и повышением (наганом) у противо-

170

положйо1го — сседаются дрейфовыми течениями, перемещающи­ ми .мас1сы воды. Соответственно денивеля'ц'и-и уровня испытыва­ ют наклон и изобарические поверхности, в результате чего 'гидростатическое давление ,в точках одной и той же горизонталь­ ной плоскости становится различным. Возникает компенсани­ онное течение, противоположное по направлению дрейфовому. Компенсационные течения большей частью развиваются в глу­ бинных и придонных слоях, но могут образовываться и на по­ верхности водоема. В последнем случае возникает горизонталь­ ная -циркуляция в верхнем слое воды.

У приглубых берегов трение о дно меньше оказывается на компенсационном течении, которое благодаря этому захватыва­ ет значительный слой воды. При наличии у нагонного берега мел­ ководных участков компенсационное течение вследствие тре­ ния о дно ослабляется и перемещает в сторону сгонного берега значительно меньше воды, чем от приглубого берега. В результа­ те этого нагон у отмелых берегов выше. Так, по. расчетам Т. И. Малининой, высота -нагонов при ветре 15 м/с у северных приглубых (берегов Ладожского -озера достигает 30, а у отме­ лых южных —90 см.

Нагоны достигают наибольшей величины в узких и мелких заливах, в том числе ,в устьях и истоках рек и в вытянутых но направлению ветров озерах и водохранилищ-ак. Например, -на во­ домерном посту Осинов-ец в южной части Ладожского озера 12/Х 1961 г. при северо-северо-восточном ветре 12 м/с высота нагана была 7, в то время как в истомеНевы (П-етроирепость) 30, а в устье р. Н-азии на южном берегу 21 ем. На Цимлянском водохранилище разность уровней сгонного и нагонного участков превышает 1 м. Разность уровней воды между участками сгона

а — угол между направлением ветра и продольной осью водоема;

h — средняя высота волны.

Сейши. В результате данивеляций поверхность озера может принять не горизонтальное положение: на одном участке уро­ вень -повысится, на другом понизится. После прекращения дей­ ствия силы, вызвавшей данив-ел-яцию, вся водная масса озера, стремясь возвратиться .в положение равновесия, придет в коле­ бательное движение. Колебания будут постепенно затухать под влиянием трения. Такие колебания, являющиеся стоячими волна­ ми, называются с е й ш а м и . Причинами |возни-кн,о(вения сейш могут быть ветер, вызывающий сг-ояы и нагоны, ра'зность а-тмо-

171

При 'Сейшах в- водоеме всегда имеется одна или насколько точек (линий), вокруг которых происходят колебания водной по­ верхности и в которых уровень неизменен. Они называются узла­ ми (узловыми линиями). В зависимости от количества узлов сейши бывают одноузловыми и многоузловыми (двухузловые, трехузловые и т. л.). По обе стороны от' узлов амплитуды верти­ кальных (Колебаний ча1стиц увеличиваются и в некоторых пунк­ тах, называемых пучностями, достигают максимума (рис. 44, б).

Если фактор, вызвавший дени1веляцию (в случае нагона — ветер), продолжает действовать, происходят сейшеобразные ко­ лебания, которые, в отличие от сейш, не затухают, а при усиле­ нии действия этого фактора даже возрастают.

Основными характеристиками сейши (стоячей волны) явля­

где / — длина водоема; с — скорость волны (сейши);

g — ускорение силы тяжести; Н — глубина водоема.

Период многоузловой сейши с числом узлов п будет

Т _ 21

~ n V W

Приведенные зависимости показывают, что в одном, и теш же озере наибольшим периодом отличается одноузлевая сейша. В глубоких озерах период сейш короче, чем в мелких, при той же длине. Если озеро делится неровностями дна и очертаниями

берегов на несколько плесов, в каждом из них могут возникать свои сейши.

Колебания уровня при сейшах .в большинстве озер обычно не^превьжоают нескольких дециметров, но отмечены сейши высо­ той до 2—2,5 м. Так, на Аральском море периоды одноузловых сейш изменяются в пределах 18—28 ч, средняя высота 24, макси­ мальная до 100—135 см; на озере Эрй преобладают сейши высо­ той 20—30, при максимальной высоте 250 см; на озере Балхаш средний период сейш около 24 ч, высота до 38 см.

При различиях в плотности воды (по вертикали, связанных со стратификацией температуры или минерализации, в нижнем более плотном слое возникают .внутренние сейши. Периоды их в

172

связи с большей плотностью воды продолжительнее, чем перио­ ды оейш верхнего слоя. Эти сейши хорошо заметны до периоди­ ческим колебаниям температуры воды та одних и тех же глуби­ нах (температурные сейши).

Перемешивание вод озера. При всяком движении озерных вод происходит их перемешивание, т. е. обмен между слоями по вертикали. При перемешивании вместе с объемами воды из слоя в слой перемещаются и заключенные в этих объемах взвеси,- [за­ пасы тепла, растворенные элементы и газы. В результате пере­ мешивания происходит выравнивание содержания тепла и раст­ воренных элементов /в водной массе озера.

Основную роль в .режиме озера играет турбулентное пере­ мешивание. Молекулярный обмен, происходящий одновременно с турбулентным, вследствие, малых значений молекулярной диф­ фузии, теплопроводности -и трения ощутимого влияния на режим водоема не оказывает. Турбулентное перемешивание бывает

вызывается разностью плотностей между отдельными слоями воды, .второй —воздействием ветра на поверхность озера и свя­ занными с этим воздействием волнами и течениями.

Интенсивность перемешивания и степень охвата им вод озе­ ра связана как с мощностью действующих факторов (силой вет­ ра или величиной разности плотностей воды), так и с сопротив­ лением водной массы движению. Это сопротивление обусловлено разностью плотностей воды в различных слоях озера. При уве­ личении плотности с глубиной (прямая стратификация плотно­ сти) создается более или менее устойчивая система, для измене­ ния которой необходимо произвести определенную работу. Эта работа и является характеристикой устойчивости системы. Ус­ тойчивость пропорциональна вертикальному градиенту плотно­

сти - | | - . Поскольку изменения плотности при изменении темпе­

ратуры на 1° больше в теплых водах, чем в холодных, градиенты температур и плотности и зависящая от них устойчивость боль­ ше в теплых водах, с чем связана большая устойчивость вод тро­

пических озер.

Вертикальное перемещение воды и заключенных в ней эле­ ментов (тепла, взвесей, растворенных веществ и газов) может быть при расчете на маЬсы выражено уравнением

где 5 — количество данного элемента, проходящего в единицу времени через единицу горизонтальной площади (по­ верхности раздела между слоями);

— вертикальный градиент этого элемента;

173

А —коэффициент перемешивания, г см-с; р — плотность воды.

П,ри расчете на объемы воды А за1меняется коэффициентом турбулентности К, равным Д/р ем2/с.

Водоемы с .малой акваторией значительно меньше (подвер­ жены ветреному перемешиванию, чем крупные оо значительны­ ми разгонами ветра и волн. Перемешивание при одинаковых ак­ ваториях сильнее в мелких озерах, чем в глубоких. Интенсивное перемешивание сшю!СЮ1бству'ет обогащению глубинных слоев воды кислородом, влияет на седиментацию твердых частиц.

8. Биология озер

Все водоемы Земного шара, за исключением горячих источ­ ников с температурой (воды, близкой к температуре кипения, со­ ляных озер с 'концентрацией рапы, достигающей насыщения, и вулканических озер, богатых свободной серной кислотой, насе­ лены водными организмами, или г ид ip об и он т а.м и. Видовой состав и количество гидробионтов тесно связаны с физико-хими­ ческими свойствами вод и режимом (водоемов и изменяются в зависимости от географической зональности и■азональных факто­ ров. При переходе от полярных широт к умеренным и тропиче­ ским видовой состав водных организмов становится разнообраз­ нее, количество (видов возрастает, но количество организмов уменьшается. Такие азональные факторы, как морфометрические особенности водоемов, водообмен, геологическое строение бас­ сейнов и котловин, химизм вод, хозяйственная деятельность че­ ловека могут сущёс'твенгао изменять видовой состав и количество гидробионтов в различных водоемах одной и той же зоны.

Условия жизни неоднородны даже в различных частях одно­ го и того же водоема.. В каждом озере существуют участки с однородными условиями обитания организмов, называемые б и о ­ т о п а м и . Наиболее крупными биотопами являются прибреж­ ная область — литораль и [водная толща—нелагиаль, внутри которых (существуют Свей биотоны: дно открытых каменистых прибрежий и защищенных заиливающихся заливов, (водные мас­ сы открытой части и прибрежий и т. п.

К каждому биотопу приурочена определенная группа орга­ низмов (животных и растений), наиболее приспособленных к нему б и о ц е н о з . По приелособленноЮти к существованию в определенных биотопах выделяются три основные группы вод­ ного населения: п л а н к т о н , не к т он , б е н т о с .

П л а н к т о н —[совокупность обитателей водной массы, ко­ торые не способны преодолевать интенсивные движения воды и перемещаться по горизонтали на большие расстояния* Многие представители планктона могут перемещаться по вертикали. К планктону относятся различные (виды водорослей, бактерии, простейшие, ракообразные, коловратки. Размеры планктеров

174

большей частью микроскопически малы, удельный вес близок к удельному весу воды.

Представители н е к т о н а также обитают в толще воды, но, в отличие от планктеров, они приспособлены к активному плава­ нию и 'преодолевают значительные расстояния. К ним относятся

на длительное время подниматься в воду. Сюда относятся черви, моллюски, бактерии, трибки. Одни организмы бентоса живут на поверхности дна, другие зарываются в грунт.

Планктон делится на растительный (фитопланктон) и жи­ вотный (зоопланктон), бентос— на фитобентос и зообентос.

Кроме этих основных г.руип, в воде 'существует п е р и ф и ­ тон, или оброст-гидробионты, покрывающие напруженные пред­ меты, и не йот он —'Обитатели поверхностной пленки.

С различиями физико-химических свойств 'воды и элементов гидрюлюгичеакош режима (.колебаний уровня, движений воды, термики) по участкам озера связано разнообразие гидробионтов по глубине и акватории.

Сезонными и вековыми колебаниями режима водоемов обу­ словлены изменения водного населения со временем, его жизнен­ ные циклы. Первая вспышка массового развития планктона —■

водной толще накопившиеся зимой у дна биовенные элементы. Биогенные элементы и органическое вещество поступают также с весенним стоком с водосбора. Среди фитопланктона господст­ вуют диатомовые водоросли, требовательные к содержанию же­ леза и кремния.

Прогрев воды и обильная пища в виде водорослей и бакте­ рий способствуют интенсивному развитию зоопланктона в тече­ ние весны и лета. Зоопланктон в спою очередь служит пищей для рыб — пла,вктофапс1в.

Диатомовые водоросли сменяются зелеными, затем сине-зе­ леными, дающими вспышку разлития во вторую половину лета. Осенью вновь развиваются диатомовые. Цветение сменяется маисовым отмиранием планктона, остатки которою («дождь трупов») опускаются на дно, пополняя донные отложения. Ле­ там, благодаря вертикальному термическому расслоению и по­ глощению света планктоном, вода резко делится на верхний, трофотенный слой, где бурно развивается жизнь и 'продуцирует­ ся органическое вещество, и нижний, трюфолитический, в кото­ ром преобладает распад органического вещества. Зимой разви­ тие фитопланктона прекращается, его представители пассивно перезимовывают на дне. Скуднее становится и зоопланктон. Раз­

175

лородом часто до пересыщения (более 100%). Зеленые водоросли являются единственной группой организмов водоема, создающей органическое вещество из минеральных.

В крупных озерах планктон центральной части беднее, чем прибрежной, планктон различных районов озера неодинаков в связи с термическим режимом и поступлением бйотенов.

Условия жизни в литорали и профундали озер различны, ,в связи с чем различен и их бентос. В профундали света для раз­ вития растительности недостаточно, поэтому она слабо развита ■или ее нет. Пищей для бентоса являются опускающиеся на дно органические остатки и илы. Преобладают бактерии, грибии, черви и некоторые моллюски. Организмы бентоса преобразуют данные отложения, размельчая их, пропуская через свои тела при извлечении питательных элементов. Органивмы-ф/ильтрато- ры, извлекая пищу из воды, осветляют ее.

Для литорали, за исключением каменистых участков и уча­ стков, подверженных сильному воздействию волн, характерны заросли крупной высшей водной растительности — м а к р о ф и ­ тов. Заросли располагаются по направлению от уреза воды к центру озера концентрическими зонами, в каждой из которых доминирует определенная группа растений (рис. 44, а). Вблизи уреза воды развиваются влаголюбивые растения (оюоии, болот­ ник, лютик, незабудки и др.), затопляемые только при высоких уровнях воды. Дальше, до глубины около 1 м, распространены невысокие земноводные растения (озерный хвощ, осока узколи­ стная, стрелолист, желтый и|р»с и др.). Это место нереста боль­ шинства рыб, мечущих икру рано. Высокие надводные растения (тростник, камыш, рогоз) встречаются на глубине до 2 м. Над водой тростники возвышаются на 3 и более метров. Благодаря грубым прочным стеблям и мощной корневой системе, эти расте­ ния хорошо противостоят ветру и гасят волну, защищая берег от размыва. Они используются в качестве строительного матери­ ала и топлива, йри отмираний образуют грубые донные отложе­ ния. Полунагруженные растения (белые кувшинки, желтые ку­ бышки, водяная гречиха, плавающий рдест), листья и цветы ко­ торых лежат на поверхности воды, достигают глубины 2,5—3 м. Эта зона благоприятна для выллода малярийных комаров. С глу­ бины 3—5 м к поверхности вытягиваются погруженные растения: различные виды рдестов, уруть, роголистник, элодея. Сами эти растения и населяющие их заросли беспозвоночные (моллюски, черви, ракообразные, насекомые) являются хорошим кормом для многих рыб; здесь развиваются я растут мальки.

Ближе всего к центру озера продвигаются нетребовательные к свету низкорослые хары и водяные мхи, образующие подвод­ ные луга. Обычно они растут на глубинах 5—12 м, но в озерах с прозрачной водой — значительно глубже: в Теледком до 20, ,в Байкале и Иссык-Куле до 40—50 м.

В каждой зоне накапливаются остатки отмерших растений,

176

из которых образуются различные виды торфянистых илов. По мере накопления этих отложений глубины уменьшаются и расти­ тельные зоны продвигаются' к центру озера. Озеро мелеет, расти­ тельные зоны одна за другой выпадают, пока озерная раститель­ ность не сменится болотной (ом. рис.44, а).

а . . . . . . . . . . . . .

Зарастание озера и превращение его в болото может проис­ ходить и путем нарастания сплавин—покрова из живых и от­ мерших растений, распространяющегося по поверхности озера. Сплавины чаще возникают на озерах с маломинерализованной водой и слабым волнением, у приглубых берегов (рис. 44, б). Основную массу их образует сфагновый мох, опирающийся на корневища и побеги осоки, сабельника и других макрофитов. По ней разрастаются осоки, клюква, багульник, затем карликовая береза. Сплавина распространяется от берегов к центру озера, толщина ее увеличивается. Растительные остатки сплавины осе­ дают на дно, но она может затянуть озеро и раньше, чем оно заполнится торфяными отложениями. Среди мохового покрова остаются окна свободной воды, постепенно затягивающиеся.

Рыбы, обитающие в озерах, перемещаются (мигрируют). часто на значительные расстояния и даже за пределы озера.

Миграции бывают кормовые ('в ‘поисках пищи), нерестовые (для -метания икры), зимовальные (к местам, благоприятным для зи­ мовки). Одни рыбы — туводиые или жилые—постоянно живут в озере, другие—проходные — уходят на нерест в реки. К пос­ ледним относятся озерный лосось, форели, ряд сигов (евирски'й, волховский, чир, омуль и др.), чехонь, сыр-ть. Большую часть жизни рыбы того или иного вида проводят в определением рай­ оне озера. Прибрежную растительность населяют з а р о с л е в ы е рыбы — карась, линь, плотва, красноперка, язь, густера, травяная форма окуня и щуки. На осыпи и в профундали живут

рыбы—снеток, ряпушка, корюшка, уклея, чехонь, судак, бай­ кальский омуль.

По преобладающей пище среди рыб выделяются потребите­ ли планктона —иланктофаги (©нетск, ряпушка, уклея, байкаль­ ский омуль), бентсфаги (сиг, лещ, сазан, карась, линь, ерш), хищники, или ихтиофаги (лосось, корюшка, налим, щука, жерех, чехонь, сом, судак, окунь).

Количество рыбы, добываемой со всего водоема или с еди­ ницы его площади, называют рыбной продукцией. Годовая рыб­ ная продукция менее 30 кг/га считается низкой, 30—60 кг/га — средней, более 60 кг/га — высокой. Рыбная продукция сильно колеблется в разных озерах и из года в год. В глубоких озерах Карельской АССР она равна 2—8, в озере Дривяты (БССР) —18,

в1947—56 кг/га.

Впроцессе жизнедеятельности гидробионтов и взаимодей­ ствия их с водой и донными отложениями происходит кругово­ рот веществ в озере. По характеру участия в этом круговороте

организмы делятся на три группы. П р о д у ц е н т ы (производи­ тели) ‘Синтезируют органическое вещество своих тел из содержа­ щихся в воде неорганических веществ, в первую очередь биоген­ ных элементов. К ним относятся фотосинтезирующие растения (главным образом фитопланктон) и бактерии, создающие орга­ ническое вещество за счет энергии солнца. Играют роль в про­ дуцировании органического вещества и хемотрефные бактерии, использующие энергию химических реакций (например, окисле­ ния метана до воды и углекислоты, закионого железа в окиеное и др.). К он с у ме н ты (потребители) питаются готовым орга­ ническим веществом. К ним относится большинство гидробион- TOIB. Р е д у ц е н т ы (восстановители) разлагают сложные орга­ нические соединения или продукты их неполного распада до про­ стых минеральных веществ. Это бактерии, живущие на дне и в придонном слое воды. В зависимости от режима озера, особен­ ностей жизни в нем и количества минеральных и органических веществ, .поступающих с бассейна, круговорот может быть пол­

17»

ным и неполным. В первом случае все органические вещества, продуцированные в озере, восстанавливаются до минеральных, во втором — часть их выпадает из круговорота, образуя донные отложения или оставаясь в воде.

Для оценки интенсивности биологических процессов, проис­ ходящих в водоемах, и определения возможностей хозяйственно­ го использования гидробионтов необходимы количественные по­ казатели. К таким показателям относятся б и о м а с с а и п р о ­

ду к ц и я -водоемов.

"Общее количество органического вещества, заключенного в

живых организмах в данный.момент, называется б и о м а с с о й . Биомасса определяется в весовых единицах на единицу площа­ ди зеркала или дна или на единицу объема воды (г/м2, кг/га, г/м3). Увеличение биомассы обусловлено ростом и размножени­ ем организмов, уменьшение — гибелью, выходом за пределы во­

воспроизводить органическое вещество в виде живых организ­

ток времени. Можно определить биомассу и продукцию планк­ тона, бентоса, рыб, всего водоема или отдельных его районов.

Основой существования организмов в озерах является п е р ­ в и ч н а я п р о д у к ц и я — органическое вещество, создаваемое в процессе фотосинтеза и хемосинтеза из минеральных веществ. К о н е ч н о й п р о д у к ц и е й , используемой человеком, являет-' ся преимущественно рыба Продуктивность водоемов изменяет­ ся с изменениями гидрологического режима, в первую очередь стока и водообмена, определяющих поступление растворенных -веществ и их распределение. Делаются попытки воздействовать на нее в нужном для эффективного использования водоема на­ правлении (акклиматизация ценных видов рыб и организмов, потребляемых ими, введение дополнительного количества биото­ пов, улучшение кислородного режима и др.).

В основу наиболее распространенной биологической класси­ фикации озер, разработанной А. Тинемансм и Е. Науманом. по­ ложены условия питания организмов — трофичность (trophos — пища, корм). Различают озера олиготрофные' (oliffos — мало), эвтрофные (ей — хорошо) и дистрофные (dis — недостаточно).

прозрачна, кислорода достаточно. Круговорот веществ наиболее полный из всех групп озер, в донных отложениях преобладают минеральные частицы, органики мало. Это большей частью озе­ ра, расположенные среди кристаллических пород, часто горные.

Э в т р о ф н ы е (многокормные) озера отличаются большим содержанием биогенных элементов и органического вещества, сильным развитием фитопланктона и прибрежных зарослей.

179