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

Круговорот веществ .неполный, часть органики отлагается на дне, где-накапливаются органические илы. К эвтрофны.м отно­ сятся преимущественно небольшие хорошо прогреваемые летом озера лесной зоны.

К д и с т р о ф н ы м (недостаточно кормным) относятся пре­ имущественно озера заболоченных районов. В воде их содержит­ ся много органики, в том числе гибельных для организмов гуминовых кислот. Жизнь почти не развита. Круговорот веществ неполный, на дне накапливаются илы, главным образом из алло­ хтонных органических веществ. Кислорода недостаточно даже летом. Дистрофные озера заторфовываются и превращаются в болота.

9. Донные отложения

Благодаря замедленному водообмену, в озерах .непрерывно аккумулируются твердые минеральные и органические частицы как приносимые извне поверхностным и подземным стоком или ветром, так и формирующиеся в самих водоемах в результате физико-химических и биологических процессов. Накапливаясь на дне и склонах котловины, эти частицы образуют донные отло­ жения.

Интенсивность формирования, мощность, механический и химический состав донных отложений зависят от физико-геогра­ фических условий бассейна и совокупности процессов, происхо­ дящих в самих водоемах. По мере хозяйственного освоения тер­ риторий бассейнов и водоемов все большую роль в формирова­

(образующиеся при химических процессах) и биогенные (-свя­ занные с биологическими процессами, главным образом остатки отмерших организмов).

Частицы, поступившие -в озеро или образовавшиеся в нем, подвергаются сложному .воздействию динамических, термичес­ ких, химических и биологических процессов. Воздействие это продолжается и после осаждения частиц на дно в течение дли­ тельного времени, в результате чего состав и свойства донных отложений озер весьма сильно отличаются от начальных свойств поступивших в воду частиц.

Донные отложения различны по механическому и химичес­

кому составу не только в разных озерах, но и в пределах одного и того же озера.

Скорость осаждения частиц в воде зависит от их плотности,

180

размеров и от характера движения вод. Крупные тяжелые части­ цы осаждаются быстрее, и механический состав отложений зако­ номерно изменяется от уреза воды к профундали. На литорали, особенно открытой и подверженной воздействию волн, отлагают­ ся более (крупные терригенные, преимущественно (минеральные частицы. Крупность (частиц убывает от берега ;к центральной части котловины (рис. 45, а). Валуны и камни залегают у уреза воды. Далее у открытых берегов, подверженных ;вол:но1пр1йбойному (воздействию, располагаются песчано-галечные отложения. По мере продвижения к центру озера они последовательно сменя­ ются песком, (глиной и, наконец, наиболее мелкими фракциями — озерными илами органического или смешанного (органического и минерального) ■состава, (покрывающими дно глубокой части котловины. Илы могут накапливаться и в защищенных от .волн (выступами берега, островами, высшей водной растительностью мелководных участках. Здесь они состоят обычно из грубого детрита — остатков высшей водной растительности.

Донные отложения литорали и профундали отличаются друг от друга и по химическому составу, в первую очередь по соотно­ шению минеральных и органических компонентов. Общее пред­ ставление об этом соотношении дают результаты прокаливания образцов отложений. Остаток от прокаливания (зольность в про­ центах) характеризует -минеральную, потери при прокалива­ нии —'органическую часть образца.

Отложения литорали, как правило, характеризуются преоб­ ладанием ■минеральных, илы профундали— органических час­ тиц. Например, в малом плесе озера Нарочь (БССР) зольность отложений -на .глубине 2,5 м достигает 62, на глубине-8 м — толь­ ко 53 %.

Приведенная схема распределения донных отложений по котловине может в ряде озер нарушаться в зависимости от гео­ логического строения бассейна и котловины, морфометрии озе­ ра, особенностей стока, гидрологического, химического и биоло­ гического режима водоемов.

Во многих озерах, особенно при интенсивном развитии жиз­ ни и м-алом водообмене, с течением времени накапливается тол­ ща отложений, почти целиком заполняющая первоначальную котловину. Так, донные отложения озера Ильмень занимают око­ ло 90% объема котловины, толща слоя ила в озере Пиявочном (Калининская область) в несколько рав превышает современную его глубину (рис. 45, б).

Отложения накапливаются в -первую очередь в углублениях дна, не подверженных перемешиванию вод. По мере накопления отложений неровности дна оглаживаются, глубины уменьшают­ ся и постепенно исчезает разница в режиме прибрежной и от­ крытой частей озера. Растительность при обмелении распростра­ няется от берегов к средней части озера и илы, возникшие в про­ фундали, перекрываются отложениями мелководья.

Н,м аНа Оз. nu86ovnoe

Рис. 45. Распределение донных отложений в оз. Переславском (а , по Н. К . Дексбаху) и озерах Залучинской группы

(б , по Г. А. Стальмаковой):

1— черный ил; 2— оливковый ил; 3—песок; 4— ракушечник

182

В накоплении данных отложений прослеживается .периодич­ ность, обусловленная сезонными и многолетними колебаниями режима водоемов. С этой периодичностью связана характерная для озерных отложений слоистость. Изучение слоев донных отло­ жений имеет большое палеографическое значение. Мощность сезонных и годовых слоев отложений, их крупность, механичес­ кий и химический состав, наличие остатков водных организмов и растений, пыльцы деревьев позволяют установить возраст озе­ ра и судить о физикю-географических условиях периодов форми­ рования тех или иных слоев.

Наибольшее .количество 'минеральных частиц поступает в пе­ риоды со значительным твердым Спокам (во время половодий, паводков и в .многоводные годы), а также при значительных ко­ лебаниях уровня и связанной с ними переработкой берегов-

Особенно ярко отражаются изменения режима водоемов на накоплении и структуре озерных илов. Наиболее мощный слой ила (обычно серо-зеленого цвета) отлагается в конце лета и осенью, при отмирании основной массы растений и части водных организмов. Значительный слой преимущественно минеральных отложений образуется и при весеннем половодье. Зимой отлага­ ется тонкий слой черного ила, летом слой несколько большей мощности также темного цвета.

Окраска илов связана, помимо их состава, с поступлением кислорода в придонные слои озера. При недостатке кислорода (в большинстве озер зимой и лешм) образуются сульфидные со­ единения, придающие илам темную (обычно черную) окраску.

Состав и строение донных отложений значительно изменя­ ются под воздействием организмав бентоса и деятельности' бак­ терий в верхнем слое грунта дна. Наиболее активна деятельность бактерий в слое ила примерно 20 см в олйготрофных озерах и до 60 см в эвтрофных. Организмы бентоса роют и размельчают илы, частью пропускают их через свое тело, извлекая питательные элементы, и пополняют отложения своими трупами. Бактерии производят существенные химические изменения илов. Гнилост­ ные бактерии разрушают белки, железобактерии способствуют концентрации железа и накоплению озерных железных руд.

Наиболее благоприятные условия для накопления илов с ■преобладанием органических компонентов создаются в эвтроф­ ных озерах лесной зоны. Это обычно слабшроточные водоемы, в которые с бассейнов поступает значительное количество орга­ нических и минеральных наносов. Вода их сильно прогревается детом и в ней интенсивно развивается жизнь.

По характеру Образования, структуре и составу такие илы делятся на с а п р о п е л и и т о р ф я н и с т ы е илы.

Сапропеля, или гнилостные иды, содержат более 30, а часто и до 70% органических веществ и образуются праймущественно из остатков планктона. Основная составная часть их детрит — аморфная органическая масса. Тонкий детрит — остатки отмер-

шего планктона — отлагается в более глубоких участках во­ доемов, грубый — остатки высшей водной растительности — в мелких, защищенных от ветра и волн. Верхний слой сапропеля имеет коллоидальное строение и содержит до 70—95% воды. Он имеет вид студенистой массы, которая с глубиной становится плотнее. Минеральная часть илов пополняется за счет материа­ ла, приносимого стоком, и остатков водных организмов (створки диатомовых, известковые .раковины моллюсков и др.). С течени­ ем времени сапропеля в более глубоких слоях, перекрытые дру­ гими отложениями, минерализуются, так как происходит выши­ вание органического вещества, и превращаются в сапропелита с относительно большим содержанием минеральных частиц. Сап­ ропелита в зависимости от преобладания тех или иных минераль­ ных компонентов могут быть глинистыми, кремнистыми, известшвистыми, железистыми. Ископаемые сапропелевые отложения обрадуют биолиты — торные породы органического происхож­ дения— угли, битуминозные сланцы и д'р. Из санрюпелей можно добывать различные нефтепродукты: машинные масла, бензин, керосин, но промышленного значения такая добыча не имеет. Широко используется 'сапропель в качестве удобрения. Мощ­ ность сапропеля в о'зерах лесной зоны может достигать 20—• 30 м.

Торфянистые, или гуминовые, илы образуются 'преимущест­ венно в дистрофнык мелких озерах лесной зоны, бассейны кото­ рых заболочены. Вода их бедна минеральными компонентами и насыщена органическими соединениями (главным образом стой­ кими гуминовыми веществами, неблагоприятными для жизни). Поэтому жизнь в таких водоемах крайне бедна. Илы слабо сор­ тированы, состоит из остатков сплавин, прибрежной раститель­ ности, структура их грубая.

Известковые отложения озер образуются в результате хими­ ческой или биологической седиментации углекислого кальцияХи­ мической седиментации благоприятствует высокая температура , воды, понижающая растворимость С а С О з . Свободная углекисло­ та поглощается растениями в процессе фотосинтеза, в результа­ те чего СаСОз выпадает в осадок и отлагается на дне или на по­ верхности растений. Накопление СаС03 связано с тем, что вод­ ные организмы попользуют его для построения тканей и скеле­ тов; при отмирании таких организмов карбонаты выпадают на дно. В озерах со елабоминерализшанной водой карбонатные от­ ложения располагаются в прибрежной зо.не, соответствующей эпилимниону, та(к как здесь седиментации СаС03 способствует более высекая температура воды и наличие водных организмов, в том числе микрофагов, осаждающих его.

Из1вестков1иетьге отложения могут залегать оплошными уча­ стками, 'Состоящими из остатков раковин водных организмов, образовывать плотные норковые наросты на камнях, скалах, стеб­ лях растений. Наибольшее хозяйственное значение имеют озер-

184

ный мел—почти чистый углекислый кальций, а также мер­ гель — известняк с примесью глин. Изв'естков'встые отложения характерны для озер е жесткой /водой.

Седиментация железа происходит наиболее интенсивно в преемых озерах с высоким содержанием кислорода при условии достаточного приноса его с бассейна поверхностным и подзем­ ным стоком. Повышенное содержание железа характерно для озер Балтийского кри1Сталличеакаго щита. Озерные железные руды, распространенные в северо-западных районах СССР и осо­ бенно /в Карелии, имеют промышленное значение.

В минеральных озерах может происходить садка одной или нескольких солей. Интенсивность садки и ионный шстаов отла­ гающихся солей меняется как по сезонам, так и в течение более длительных периодов времени в связи с гидрометеорологически­ ми условиями. Из отлагающихся в минеральных озерах солей наибольшее промышленное значение имеют,поваренная соль (га­ лит NaCl), мирабилит (Na2S 0410Н2О), сода (NaC03ЮН20, ЫаНС03),гипс (CaS04-2H20 ) .

С жизнедеятельностью микроорганизмов (главным образом микрофлоры) связаны сложные биохимические процессы в илах, в результате которых происходит разложение органического ве­ щества с выделением газов, поднимающихся на поверхность во­ доемов. Смесь газов, выделяющихся из илов, отличается посто­ янством состава. Большую часть ее составляет метан (75—95%), затем водород (5—15%) и углекислый газ (доЗ%).

Особую группу донных отложений составляют лечебные грязи, или п е л о и д ы (pelos — грязь, ил), широко применяемые в медицине. Из многочисленных видов грязей, куда входят и не­ которые сапропели и торфы, наиболее ценными бальнеологичес­ кими свойствами обладают минеральные грязи, образующиеся при определенных условиях на дне соляных водоемов (озер, лиманов, морей), воды которых содержат значительное количест­ во сульфатов. Чтобы грязи образовались в водоеме должна по­ стоянно быть вода; без воды грязь .высыхает, окисляется и теря­ ет свои свойства. Необходимо также поступление в озеро тонких глинистых частиц, железа и органического вещества; в придон­ ных слоях водоема должны быть анаэробные условия (отсутст­ вие кислорода). В составе грязей минеральные элементы преоб­ ладают над органическими. В грязях развиваются различные микроорганизмы, важное место среди которых занимают сульфатредуцирующие бактерии. При жизнедеятельности последних выделяется сероводород, который, взаимодействуя с другими элементами, в том числе с железом, образует сернистое железо. Оно придает грязям черный цвет и составляет вместе с другими веществами коллоидный комплекс грязей, с которым связаны их наиболее важные свойства: водоудерживающая способность, по­ глощение ряда веществ и бактерий, мазеподобность и др.

Бальнеологический эффект грязей связан с рядом их опеци-

185

фических свойств. Благодаря малой теплопроводности и высо­ кой теплоемкости, грязи (позволяют (без ожогов создавать высо­ кую температуру кожных покровов и поддерживать ее длитель­ ное время. Из-за высокой адсорбционной способности грязи хорошо очищают кожу, раны, слизистые оболочки. Грязь обез­ вреживает болезнетворные микробы, поскольку она содержит различные бактериофаги, антибиотики. На сероводородных гря­ зях работают основные грязелечебницы СССР: Майнакская (Ев­ патория), на Кавказских Минеральных водах, з Старой Руссе, Эстонии ИДр.

Состав, структура и мощность донных отложений зависят от гидрологического режима водоемов и природных особенно­ стей их /бассейнов, в связи с чем распределение этик отложений в озерах Земного шара подчиняется в общих чертах географиче­ ской зональности. Для озер увлажненных территорий характер­ ны пресноводные, для озер засушливых районов —■минерализо­ ванные отложения. .Наиболее мощные толщи отложений накап­ ливаются в озерах леоной зоны, так ка(к при достаточном коли­ честве тепла в них бурно развивается жизнь и накапливаются органические остатки, а значительный сток с водосборов, обеспе­ чивает поступление минеральных частиц.

■ В. В. Алабышевым наметены три основные зоны распростра­ нения пресноводных и оолодшодных озерньгх отложений на Зем­ ном шаре: 1) пресноводных тропических и субтропических озер;

и по мере перехода в более высокие широты в северном и юж­ ном полушарии сменяется второй и третьей. Южная граница пресноводных озерньгх отложений умеренной зоны северного полушария в общем .совпадает с северной границей степей. В горных системах, .отличающихся вертикальной поясностью, до­ минируют пресноводные озерные (отложения.

Азональные еоломаводные отложения на равнинах связаны с геологическим строением водосборов озер. Таковы в СССР

районы Старой Руссы, Сольвычегодска, центральной Якутии. Крупные озера, как правило, отличаются более, минерализо­ ванными отложениями, чем мелкие, в одних и тех же географи­ ческих условиях. Так, в Ладожском, Онежском, Теленком oaepaLX зольность донных отложений достигает 85—95, озере Ильмень — около 90%, в то время как зольность отложений малых озер Вал­

дайской возвышенности —5—20%.

10. Некоторые особенности морфологии и режима водохранилищ

Искусственные водоемы —водохранилища создаются чело­ веком для накопления ©оды с целью последующего использова­ ния ее в различных отраслях народного хозяйства. Как правило,

186

водохранилища образуются путем строительства (плотин на ре­ ках или временных водотоках. Иногда вода в них удерживается обвалованием или выемкой (грунта.

Создание водохранилищ идет интенсивно. Они наряду с ес­ тественными водными объектами 'становятся характерными ком­ понентами современного ландшафта. Достаточно отметить, что за последние два десятилетия число водохранилищ на Земном шаре утроилось, а (Объем их (возрос в пять раз.

По размерам водохранилища не уступают крупным озерам (табл. 16). По расчетам А. Б. Авакяна, полный объем 10 тыс. соз­ данных и создаваемых водохранилищ Земного шара около 5 тыскм3, что в два раза превышает объем воды, содержащейся одно­ временно во всех ^еках; полезный объем 3 тыс. км3, площадь зер кала 400, а с учетом подпертых озер 600 тыс. км2. В СССР около 1000 водохранилищ объемом более 1 млн. м3, суммарный полный

пример, Иркутское (водохранилище включает оз. Байкал, Верх- не-Свирское — Онежское озеро, Бухтармянское— оз. Зайсан), Озеровидных расширений речных долин или затопления участков долин нескольких рек и водоразделав (Рыбинское водохранили­ ще в долинах Волги, Мологи и Шекены). Вторые представляют собой затопленные участки (речных долин и в свою отередь де­ лятся -на долинные, в которых подпор распространяется до ко­ ренных берегов или террас, и русловые, пде он не выходит за пределы русла и прируслового участка поймы.

В крупных водохранилищах по морфометрическим особен­ ностям котловины и гидрологическому режиму выделяются не­ сколько районов и участков. Нижний, или приплотинный, район наиболее широкий и глубокий с озерным режимом, сильным вол­

ща, при низких — устье реки. Участок выклинивания подпора — это граница между водохранилищем и рекой. Положение его ме­ няется при колебаниях уровня.

Собственно водохранилище —подпертый участок реки выше плотины — называется верхним 'бьефом, участок реки ниже пло­ тины, в режиме которого (оказывается влияние (водохранилища,— нижним бьефам.

187

Т а б л и ц а 16

Крупнейшие водохранилища мира (по монографии «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли». Л., 1974.)

По своему положению в процессе стока водохранилища, так же как озера и ‘болота, откосятся к водоемам замедленного водо­ обмена.

В отличие от природных водных объектов водохранилища формируются и развиваются .не только иод воздействием окру­ жающей ореды и (в первую очередь стока, :-но и в результате дея­ тельности 'человека. В связи с этим они отличаются от природ­ ных водоемов рядом специфических особенностей.

Водохранилища возникают за весьма короткий промежуток времени. Их размеры проектируются с учетом природных усло­ вий и запросов народного хозяйства, а режим формируется в ре­ зультате сложного совокупного воздействия природных и' антро­ погенных факторов. Роль последних в большинстве случаев пре­ валирует и может меняться в период эксплуатации водоема в связи с технико-экономическими требованиями.

Создание водохранилищ вызывает изменение природных ус­ ловий и процессов на окружающих территориях—^микроклима­ та, (режима грунтовых вод, почв, растительности. В связи с этим в зонах влияния водохранилищ происходят существенные изме­ нения условий развития и .специализации отраслей народного хозяйства.

Особенности гидрологического режима водохранилищ и из­ менения их морфометрических показателей во времени тесно связаны с их водным балансом.

Водный баланс водохранилищ определяется в основном ха­ рактером их хозяйственного использования, с которым связаны

•периоды наполнения и сбросов воды (сработки). На распределе­ нии составляющих водного баланса в поду сказывается и режим питающих водохранилища рек.

В соотношении составляющих водного баланса водохрани­ лищ различных районов не наблюдается таких четких, как для водного баланса озер, различий, обусловленных географической зональностью. Независимо от географической зоны в приходной части баланса водохранилищ господствует приток с 'водосборов, в расходной—Сброс (вод через плотины и гидроузлы. На эти со­ ставляющие приходится более 95% приходной и расходной ча­ стей баланса водохранилищ, расположенных как в условиях до­ статочного увлажнения (Рыбинское, Камское), так и в районах с недостаточным или неравномерным увлажнением (Цимлянское,

Кайраккумское).

Изменение во времени объема вод в 'водохранилищах, про­ должительность периодов (наполнения и сработки определяются характерам регулирования стока, осуществляемого тем или иным водохранилищем. Регулирование стока одожет быть суточным,

(недельным, сезонным или многолетним.

Суточное регулирование заключается в перераспределении в течение суток равномерного стока реки в соответствии е нерав­ номерным потреблением воды главным образом для выработки

189