7. Термический и ледовый режим озер

1. Тепловой баланс озер

Для большинства озер главными приходными составляющими теплового баланса являются солнечная радиация 0_С, поступление теплоты из атмосферы при турбулентном теплообмене @;_тм, от дон­ных грунтов @ф, с речным стоком 0^_ч и подземными водами ©⁺_П0Ю, выделение теплоты при конденсации водяного пара 0_КОНД и при ледообразовании 0_лед. Теплота расходуется в озерах на эффективное излучение /, при передаче в процессе турбулентного теплообмена в атмосферу 0_ЭТМ, при поступлении в грунты дна 0_Ф, на испаре- ^НИе ©исп и таяние льда 0_ПЛ. Часть теплоты 0~_еч уносится из озера ^с вытекающими из него речными водами (для сточных озер) и с под­

земным оттоком 0п_ОД3. В результате сочетания прихода и расхода теплоты изменяется теплосодержание вод в озере А©.

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

©С + ©атм + ©ф + ©реч + ©подз + ©конд + ©лед =

= 1+ 0“_тм + ©_ф + ©реч + ©подз + ©исп + ©пл - ^©- (7-21)

Напомним, что солнечная радиация 0_С = (Q+ #)(1 - г), где Q и <7 —прямая и рассеянная солнечная радиация; г—альбедо по­верхности озера. Разность 0_С и / составляет так называемый ради­ационный баланс. 0_КОНД, 0_лед, 0_ИСП, 0_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 А0 = с_рр КА Г, где V— объем озера (или рассматриваемого его слоя); АТ— изменение тем­пературы воды. Если приходная часть уравнения теплового ба­ланса больше расходной, то А©>0, и вода в озере нагревается (ДГ> 0). В противоположном случае А0<О, и вода в озере охлаж­дается (АТ< 0).

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

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, меромиктиче- ские, 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 ди- миктические. Мономиктические озера перемешиваются по вертикали лишь один раз в году: либо летом (это теплые озера по классификации Фореля), либо зимой (холодные озера). Ди- миктические озера перемешиваются дважды в год — весной и осенью; это озера умеренного климата по классификации Фо­реля.