img-216171322
.pdf•его, особенно в плёсах и заливах. Различно также содержание этих газов у побережья, где более развита органическая
ЖИЗ НЬ -
Содержание растворенных газов находится в зависимости •от интенсивности солнечной радиации, поэтому в изменении •содержания как кислорода, так и двуокиси углерода наблюдается определенная периодичность, связанная со сменой дня и ночи и называемая суточным режимом (суточным ходом).
Суточный режим |
растворенных |
газов |
в миниатюре |
повторяет |
|
их годичный цикл. В озерах |
с |
мало |
развитой органической |
||
жизнью суточные |
изменения |
в |
содержании газов |
следуют за |
|
14 июля 1934 г. в прибрежной зоне Чудского озера (с. Островцы).
изменениями температуры воды, т. е. днем содержание 0 3 уменьшается, ночью увеличивается, хотя процент насыщения, наоборот, днем обычно бывает больше, чем ночью. В озерах же
•с интенсивно |
протекающими |
биологическими процессами |
днем |
|||
наблюдается |
значительное |
повышение |
0 2 |
и падение С02 , а |
||
ночью — уменьшение 0 2 и увеличение С0 2 |
(рис. 46). Суточный |
|||||
режим, газов |
в верхних слоях озера выражен яснее, чем на |
|||||
глубинах, где он менее заметен. |
|
|
|
|||
Режим концентрации ионов водорода находится в тесной |
||||||
зависимости |
от режима С02 . Так же |
как |
и содержание |
С02 , |
||
величина |
рН |
неодинакова для различных глубин и изменяется |
||||
в течение |
года и суток. Очевидно, что чем |
больше содержится |
||||
С0 2 , тем больше |
будет концентрация ионов водорода и, |
сле- |
|
довательно, тем |
меньше |
будет величина рН. Примерные |
пре- |
делы изменения |
величин |
рН были указаны выше (стр. 68). |
|
Биогенные вещества. Содержание биогенных веществ в озеipax, а также основные особенности их режима в общих чер-
12* |
211 |
тах напоминают таковые для рек. Б озерах, как и в реках* в результате протекающего процесса минерализации органи-
ческого вещества |
наблюдается |
увеличение |
содержания |
N O / , |
|||
N 0 / , |
NH/ и Р в |
зимний период. Наоборот, летом количество- |
|||||
их |
уменьшается, |
особенно N 0 / |
и N 0 / , которые |
часто практи- |
|||
чески |
полностью потребляются ассимилирующими |
организмами. |
|||||
. |
В |
отличие от |
рек, в озерах |
при наличии |
термической |
стра- |
|
тификации сезонные изменения биогенных элементов протекают различно в верхних слоях воды и у дна. В нижних слоях озера из-за распада органических веществ у дна обогащение воды биогенными веществами происходит особенно интенсивно. При отсутствии перемешивания зимой и летом в придонных слоях озера наблюдается максимальное содержание биогенных веществ. В период весенней и осенней циркуляции оно резко падает. В верхних же слоях минимальное содержание наблюдается в течение продолжительного периода теплого времени года.
Присутствие в воде биогенных веществ связано с развитием жизни в водоеме, поэтому содержание их и режим в сильнейшей мере зависят от типа водоема, характера и интенсивности происходящих в нем биологических процессов. Особенно, ярко выражен режим этих веществ в хорошо прогреваемых* богатых жизнью озерах.
3. Водохранилища Особенности гидрохимического режима водохранилищ
Водохранилища — искусственные водоемы самых различных размеров— приобретают в настоящее время большое народнохозяйственное значение. В настоящее время предусматривается создание большого количества прудов и водохранилищ в целях более рационального использования поверхностного стока для нужд народного хозяйства.
Водохранилища отличаются от прудов бблыпими размерами, причем некоторые из них не уступают по величине большим естественным озерам, как например, Рыбинское водохранилище, Цимлянское и др. Происхождение их отражается на некоторых особенностях, из которых следует упомянуть обычно вытянутую форму, увеличение глубин сверху водохранилища к пйотине и сохранение в верхней части водохранилища полу- речного-полуозерного режима.
Водохранилища создаются с различными целями: в зоне
избыточного |
увлажнения — главным образом |
для энергетики |
|||||
и транспорта, |
в |
зоне недостаточного и скудного |
увлажнения — |
||||
преимущественно для орошения и водоснабжения. |
Большие |
||||||
водохранилища |
решают ряд |
комплексных |
проблем. |
Напри- |
|||
мер, |
созданное |
при строительстве Волго-Донского |
канала |
||||
им. |
В. И. Ленина Цимлянское |
водохранилище, |
решая карди- |
||||
2 1 2
нальные вопросы транспорта, разрешает и важнейшие проблемы
орошения |
и |
обводнения |
огромных засушливых |
территорий, |
|
.а также имеет серьезное значение |
в энергетическом |
отношении. |
|||
От химического состава воды |
зависит и ее качество, имею- |
||||
щее большое значение для практических целей |
(орошения, |
||||
питьевого |
и |
технического |
водоснабжения), а также свойства |
||
«ее, определяющие противокоррозийную устойчивость строитель-
ных сооружений, условия жизни рыб и многое |
другое. Особое |
|||||
значение |
приобретают |
гидрохимические особенности водоемов |
||||
в |
засушливых |
областях. Игнорирование этого при сооружении |
||||
и |
эксплуатации |
водоемов может |
повлечь за собой ухудшение |
|||
качества |
воды |
и даже |
полную |
невозможность |
использования |
|
воды водохранилищ.
Водохранилища по своему гидрохимическому режиму близки к естественным водоемам — озерам. Характерной особенностью а х является своеобразие первой фазы существования водохранилища и возможность управления водным и гидрохимическим <режимом путем регулирования стока (а для малых водохранилищ и количеством забираемой воды).
|
Формирование |
химического |
состава воды |
водохранилищ |
||
,в первый период |
их существования имеет |
ряд |
особенностей. |
|||
В |
результате затопления новых |
площадей |
происходит |
смыв |
||
в |
водохранилище |
значительного |
количества |
растворимых |
орга- |
|
нических веществ и неорганических продуктов, образующихся яа поверхности земли при выветривании горных пород. При заполнении водохранилища затапливаются значительные площади суши, представляющей леса, луга, пашни, болота. На этих площадях в первый период происходит отмирание и разложение растительности, развиваются процессы экстрагации органических веществ из почв, торфа, листьев, древесины.
Происходит формирование новых грунтов |
дна водохранилища, |
|
в процессе которого почвы вступают в |
интенсивное |
взаимо- |
действие с газовым и ионным составом |
воды. Этот |
период |
первичного формирования химического состава воды, повидимому, для различных водохранилищ может протекать в различные промежутки времени (до нескольких лет), причем интенсивность этих процессов постепенно ослабевает и водо-
хранилища приобретают свойственный им режим. |
|
|
|||||
Наконец, |
что |
особенно |
важно, |
в водохранилищах, |
в |
связи |
|
•с переходом |
от |
речного к |
озерному |
режиму, происходит |
рез- |
||
кое изменение |
гидрологических |
и |
биологических |
условий: |
|||
устанавливается термическая стратификация толщи воды, повышается ее температура, усиливается испарение, увеличивается (прозрачность, интенсифицируется развитие планктона, высшей водной растительности и пр.
Гидрохимический режим водохранилищ еще мало изучен, «о вследствие указанных причин можно ожидать существенных изменений по сравнение с прежними условиями в реке.
2 1 3 '
Степень этих изменений будет зависеть от ряда условий, определяющихся как характером самого водохранилища, так' и окружающей его средой. Точный учет возможных изменений представляет значительные трудности, и прогноз многих гидрохимических особенностей водохранилищ может быть осуществлен только в общей предварительной форме.
Минерализация воды. Если водохранилище создано в зоне избыточного увлажнения и, следовательно, имеет постоянный сток, то изменения в ионном составе его воды будут незначительны. В этом случае первое время будет происходить некоторое увеличение минерализации воды за счет вымывания содержащихся в почве солей. Однако эти изменения могут
ч
/ |
N |
|
|
1 |
|
\ N |
|
\ |
|
\ |
|
Ь |
|
\ в' |
1 |
— |
|
|
2 - |
IV V . VI VI VIII IX X XI XII 1 II |
III | |
Рис. 47. Характер изменения минерализации воды р. Волги до и после создания Рыбинского водохранилища (по П. П. Воронкову).
1 — 1939—1940 гг., 2 — 1944—1945 гг.
быть мало заметны из-за более значительных перемен в режиме минерализации, которые произойдут при зарегулировании стока. В результате аккумуляции в водохранилище большого объема маломинерализованных паводковых вод сезонные изменения ионного состава воды будут происходить в более узких пределах, чем они были в реке до создания водохранилища. Подобное сглаживание внутригодовых изменений общей минерализации речной воды после создания водохранилища можно видеть на примере р. Волги после создания Рыбинского водохранилища (рис. 47).
Гораздо большие изменения минерализации воды могут происходить в водохранилищах, создаваемых в местности с засушливым климатом. Существенную роль при этом в первое время может иметь вымывание из почв и грунтов солей, которыми почвогрунты несравненно более богаты в этих климатических условиях. Но основное значение для изменения
2 14
минерализации воды в данных условиях будет иметь испарение, которое в условиях водохранилища сильно повышается из-за резкого увеличения водной поверхности по сравнению с рекой. Количество испарившейся воды зависит не только от площади
водохранилища, |
но и от продолжительности пребывания воды |
|||||
в нем, |
что характеризуется |
временем заполнения |
водохрани- |
|||
лища |
(отношением объема |
к притоку) |
и его |
коэффициентом |
||
регулирования |
(отношением |
расходной |
части |
к |
приходной). |
|
Рассмотрим на простейшем примере роль испарения для водохранилища, создаваемого на реке. Если допустить для простоты рассуждения постоянство уровня в водохранилище, то для среднемноголетнего изменения минерализации воды
должно быть |
справедливо |
следующее уравнение баланса |
растворенных |
солей: |
|
|
Сп р - Vп р =С с т |
V(V п р 4I-V ОС —V ИС'), |
откуда минерализация воды, вытекающей из водохранилища,
будет |
равна |
|
|
|
у |
|
|
|
|
С=С |
|
|
|
пр |
|
|
|
|
|
у |
|
Y |
у |
|
||
|
п р |
4 |
- и |
_ |
|
|||
|
|
|
у п р |
~ |
* ОС |
к и с |
|
|
Если в условиях зоны недостаточного увлажнения |
Vac >• Voc> |
|||||||
то по |
мере продвижения |
через водохранилище минерализация |
||||||
речной воды повышается |
на |
|
величину отношения |
объемов |
||||
воды, поступающей и вытекающей из него. Чем больше будет
объем |
испаряющейся воды |
в водохранилище, |
тем выше под- |
|||
нимется минерализация воды в нем. |
|
|
|
|||
Из этого можно сделать следующие общие выводы: |
|
|||||
1) чем больше |
будет объем водной массы |
водохранилища |
||||
по отношению к объему притока, тем больше |
будет |
сказы- |
||||
ваться на минерализации воды испарение в условиях |
недоста- |
|||||
точного |
увлажнения; |
|
|
|
|
|
2) при равных |
объемах |
воды в водохранилищах |
и |
равном, |
||
притоке повышение минерализации воды будет меньше у водо-
хранилища с большими |
глубинами, |
так |
как |
поверхность, |
||||||
а следовательно |
и испарение |
будет у |
него |
меньше. При |
рав- |
|||||
ных же водных |
поверхностях, но различных объемах, |
повы- |
||||||||
шение минерализации будет меньшим у |
более |
глубокого |
||||||||
водохранилища; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3) минерализация |
воды |
водохранилища, |
при равных |
вели- |
||||||
чинах притока и размерах водохранилища, |
будет |
сильнее |
||||||||
повышаться в более засушливых областях. |
|
|
|
|
|
|||||
Очевидно,- что наименее выгодные |
условия |
в |
отношении |
|||||||
минерализации воды будут наблюдаться в |
засушливых |
обла- |
||||||||
стях у больших |
по |
площади, |
но мелких водоемах |
со |
сравни- |
|||||
тельно небольшим по отношению к объему водохранилища притоком воды. Такие водохранилища при достижении
2 1 5
1 / не имеют поверхностного стока, и в них при слабой фильтрации будут накапливаться растворенные соли, в результате чего минерализация воды может существенно повыситься. Однако в засушливых местностях путем соответствующего подбора размеров водохранилищ и условий водообмена можно, при условии правильной эксплуатации, поддерживать минерализацию воды в водохранилищах в желаемых размерах. В местностях же с умеренно сухим климатом это достигается естественным стоком, который уносит значительную часть ионов, поддерживая тем самым минерализацию воды водохранилища, как это справедливо указывает Я. Ф. Плешков, на
/иг/л
Рис. 48. Изменение жесткости |
(в градусах) |
и |
сухого |
остатка |
||||
(в мг/л) |
в Кардовском |
водохранилище |
(по |
Я. Ф. Плешкову) |
||||
|
1 — сухой остаток, 2 — жесткость, 3 — объем |
водохранилища. |
||||||
определенном, |
свойственном |
данным |
условиям, |
предельном |
||||
уровне. |
|
|
|
|
|
|
' |
|
На рис. 48 |
и 49 изображено изменение минерализации воды |
|||||||
некоторых |
водохранилищ, |
величина |
которой |
поддерживается |
||||
в определенных пределах в течение ряда лет. |
|
|||||||
Внутригодовые изменения |
минерализации |
воды |
водохрани- |
|||||
лищ в зоне |
недостаточного |
увлажнения, |
так |
же как и в зоне |
||||
избыточного увлажнения, будут зависеть от степени влияния притока на массу воды водохранилища: чем больше это влияние, т. е. чем проточнее водохранилище, тем ближе колебания минерализации в водохранилище будут соответствовать режиму, наблюдающемуся в реке, и, наоборот, чем зарегулированнее водохранилище, тем больше будут сглаживаться колебания минерализации по сравнению с рекой, питающей данное водохранилище.
Растворенные газы и биогенные вещества. В первый период существования водохранилищ в них поступает значи-
216
тельное количество органических веществ с затопленных площадей.
Это обстоятельство, |
а также |
процессы заиления |
дна отра- |
||||||
жаются |
на содержании растворенных в воде газов. |
Изменению |
|||||||
режима |
растворенных |
газов |
в водохранилище, |
по |
сравнению |
||||
•с рекой, |
в сильнейшей |
мере |
способствует |
также |
усиление |
||||
в нем биологических |
процессов. Последнее связано с |
устано- |
|||||||
влением |
озерного режима в водохранилище при замедлившемся |
||||||||
течении |
и усилении прогревания верхних слоев воды. |
|
|||||||
В большинстве созданных |
водохранилищ |
замечается очень |
|||||||
интенсивное и длительное цветение водорослей, |
покрывающих |
||||||||
в штилевые дни поверхность водохранилищ зеленым |
ковром, |
||||||||
как это |
наблюдается, |
например, |
на Рыбинском |
водохранилище. |
|||||
М1/Л
Рис. 49. |
Изменение жесткости (в градусах) |
и сухого остатка |
(мг/л) |
воды Луганского водохранилища (по |
Я. Ф. Плешкову). |
В результате интенсивного развития фито- и зоопланктона режим растворенных газов (02 и С02 ) подвержен сильному воздействию организмов. В первый год создания водохранилищ из-за возрастающего потребления кислорода на окисление -органических веществ может произойти резкое падение его содержания. Например, на Учинском водохранилище в первый год его существования зимой наблюдалось даже появление •сероводорода.
Уменьшение содержания кислорода во вновь созданном водохранилище будет зависеть не только от количества органических веществ, но и от размера водохранилища, а также •от содержания растворенных газов в питающих водохранилище притоках и грунтовых водах.
Очевидно, что в менее благоприятном положении по содержанию кислорода находятся более мелкие водохранилища, •особенно если они питаются реками с малым содержанием кислорода (текущие с заболоченных водосборов, загрязняемые
2 1 7 '
сточными и промышленными водами или обескислороженными грунтовыми водами). Более крупные водохранилища, особенно имеющие значительные глубины, могут отличиться более благоприятным кислородным режимом. Например, в Рыбинском водохранилище, несмотря на сравнительно малые глубины, низкое содержание кислорода в его отдельных притоках и обилие органического вещества, даже в зимних условиях подо льдом не наблюдалось понижения содержания кислорода менее 40°/^ насыщения (рис. 50). То же самое наблюдается и в Цимлянском
Рис. 50. Изменение температуры воды (1), насыщенности ее 0 2 (2) и-со- держания С 0 2 (5) зимой 1946/47 г. по ширине Рыбинского водохранилища (по П. П. Воронкову),
водохранилище, в котором зимой 1952/1953 г. наблюдался достаточно высокий процент насыщения воды кислородом.
Однако имевшие место зимой 1939 и 1940 гг. заморы рыб в среднем течении р. Волги при их повторении могут создать весьма низкое содержание кислорода в будущих Куйбышевском и Сталинградском водохранилищах. Низкое содержание кислорода в волжской воде в эти годы, по Б. А. Скопинцеву, объясняется маловодностью зимних периодов, вследствие чего в питании реки принимала участие большая, чем обычно, доля подземных обескислороженных вод глубинного происхожденйя. Все же малый объем притока зимой по сравнению с объемом новых волжских гигантских водохранилищ, повидимому, ограничит падение содержания кислорода даже в маловодные годы. В безледный период содержание кислорода в водохранилищах близко к нормальному (рис. 51).
2 1 8
Фотосинтетическая деятельность обильного планктона способствует летом, а в отдельных случаях и весной, пересыщению воды кислородом в верхних слоях. Интенсивное' потребление кислорода организмами в нижних горизонтах создает даже*
Рис. 51. Изменение насыщенности кислородом воды Рыбинского водохранилища по разрезу Молога—Измай- лово в 1946/47 г. (по П. П. Воронкову).
летом дефицит кислорода. Это хорошо можно проследить на. примере изменения содержания кислорода в Рыбинском водохранилище, в поверхностных слоях которого процент насыще-
ния |
воды кислородом в |
течение |
суток |
в августе |
колебался, |
||||
по |
наблюдениям |
П. |
П. |
Воронкова, |
в |
пределах |
150—200°/0,. |
||
в |
то |
время как |
на |
глубине 8,5 |
м |
он |
составлял |
около 60°/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 1 9 ' |
(рис. 52). |
Весьма примечательны при этом очень |
высокие |
|
величины рН — свыше |
10. |
|
|
В остальных чертах режим растворенного кислорода в водо- |
|||
хранилищах весьма напоминает режим его в озерах. |
|
||
Режим растворенной двуокиси углерода, как всегда, по |
|||
характеру |
изменений |
противоположен режиму |
кислорода |
«{см. рис. |
50). |
|
|
Кратко характеризуя изменения, происходящие в содержании ^растворенных газов в водохранилище, по сравнению с питаю-
°'я0г
Рис. 52. Суточные изменения |
насыщения 0 2 и рН воды |
Рыбин- |
ского водохранилища 10—11 июля 1947 г. на глубинах 0,3 |
и 8,5 м |
|
(по П. П. Воронкову), |
|
|
% 0„ |
рН. |
|
:щей его рекой, можно повторить вывод, сделанный П. П. Во-
ронковым, о том, что содержание кислорода в |
водохранилищах |
|
..летом обычно будет более высоким, чем в |
реке, а зимой — |
|
более |
низким, в то время как содержание С02 , |
наоборот, летом |
в реке |
будет выше, чем в водохранилище, |
а зимой — ниже. |
Это наблюдающееся в большинстве случаев положение является ^естественным следствием возрастающего влияния биологических
процессов в водохранилище. Однако |
нередки |
случаи, |
когда |
|
при весеннем |
подледном фотосинтезе, |
при отсутствии |
снега |
|
в поверхностных слоях водохранилищ, наблюдается |
даже |
|||
пересыщение |
воды кислородом. Наблюдаются |
также и |
случаи |
|
отсутствия кислорода зимой в притоках, впадающих в водохранилище, например в р. Мологе.
2 2 0