Внутренний водообмен водоёмов

Интенсивность внутреннего водообмена каждого континентального водоёма определяется соотношением величин приходных компонент внешнего водообмена и объёма аккумулируемой в водоёме воды. Для интегральной оценки годового внутреннего водообмена, осредненного за многолетний период, в лимнологии используют коэффициент водообмена К_п. Для большинства расположенных в гумидных зонах озёр с рР и рЕ <10−15% (т. е. в пределах возможной погрешности расчёта основных составляющих водного баланса) и для всех водохранилищ мира /С_в рассчитывают с учетом лишь горизонтальной компоненты внешнего водообмена, зависящей от величины притока воды с водосбора. При этом пренебрегают вкладом вертикального водообмена водоёма с атмосферой ввиду малой доли осадков и испарения в водном балансе, а средний годовой уровень водоёма принимают неизменным. При этих допущениях:

где W- объём воды в водоёме, км V- объём притока воды в него, км³/год. Обе эти величины представлены средними годовыми значениями, поэтому К_н имеет размерность год^-1. Если приток воды в водоём больше объёма воды в нем, то коэффициент водообмена показывает, сколько раз в год сменяется вода в водоёме, а если V то этот коэффициент показывает, какая часть объёма воды сменяется в водоёме в среднем за год.

Физическая сущность коэффициента водообмена состоит в том, что внутренний водообмен водоёма или любого другого водного объекта при оценке его интенсивности по формуле (3.31) представляется как процесс замещения находящейся в нем водной массы другими, питающими его водами и не смешивающимися с вытесняемой из него водной массой. Поэтому коэффициент К_п нередко называют условным из-за условия несмешиваемости новой и старой воды при её установившемся движении вдоль оси водоёма. При пренебрежимо малом смешении новой водной массы со старой среднее время пребывания воды в водном объекте:

Этовторой показатель интенсивности внутреннего водообмена водного объекта, который называют также периодом водообмена.

По оценке Р. Ветцеля¹, среднее время пребывания воды в озёрах мира 6- 7 лет., а в Великих озёрах оно уменьшается от озера Верхнее — 165 лет, для Мичигана и Гурона — 66 лет, для мелкого Эри — 2,5 года и для Онтарио — около 8 лет.

Имеется и третий показатель интенсивности этого процесса коэффициент проточпости К_[и характеризующий среднюю скорость перемещения вдоль продольной оси водного объекта границы практически несмешивающихся между собой новой и стаоой водных масс:

Здесь L — длина водоёма, в км; 365 — число суток в году. Так как размерность год^-1, то размерность К_п будет км/сут.

Таким образом, все эти три показателя интенсивности внутреннего водообмена характеризуют только его горизонтальную составляющую при условии установившегося движения воды в озере от усп>ев при токов к истоку озёрной реки или в водохранилище к водосбросным сооружениям водоподпорного гидроузла. В фазы наполнения полезной ёмкости водохранилища и его сработки внутренний водообмен приобретает режим неустановившегося движения воды к гидроузлу. Поэтому Штефаном^[1][2] предложена формула для расчёта коэффициента водообмена для любого режима поступательного движения воды в водоеме:

где fV_Cjр — средний объём воды в водохранилище за расчётный период, IV" и fV_K — объём в его начале и конце периода. При установившемся режиме V₀ =У, формула В этих, по своей сути, водно-балансовых уравнениях реализуется гипотеза вытеснения озерной водной массы из водоёма втекающей в него речной водной массой. Имеется и другая гипотеза внутреннего водообмена: мгновенное смешение поступающих вод с находящимися в водоёме. Она столь же условна, как и первая гипотеза, так как допускает равномерное увеличение в вытекающей из водоёма воде доли только что втекшей в него речной воды. Обе гипотезы детально рассматриваются в учебном пособии «Лимнологическое моделирование» (1998). Первая, более простая и распространенная гипотеза, удобна для оценки изменчивости проточности в том или ином водоёме в фазы и годы разной водности, а также для сравнения проточности водоёмов, различающихся своими размерами и структурой внешнего водообмена. Поскольку при вычислении значений /С_в и Кп игнорируются и водообмен с атмосферой, и смешение водных масс, они несколько занижают среднее время пребывания каждой водной массы, особенно в сильно проточных водоёмах. Но в слабо проточных и бессточных озёрах замедление реального водообмена вследствие процессов смешения водных масс компенсируется увеличивающимся вкладом в структуру внешнего водообмена вертикальных его составляющих, в соответствии с равенством (3.1).

Интенсивность внутреннего водообмена водоёмов суши зависит от нескольких географических факторов, что видно при подстановке в уравнение (3.31) равенств: V = у А и W/F = //_ф

где средняя глубина водоёма с площадью акватории F.

Таким образом, интенсивность водообмена в водоёме тем больше, чем больше средний слой стока с водосбора (распределение величины у подчиняется закону географической зональности суши), чем мелководней водоём, и больше у него удельный водосбор.

Последние два фактора азональны, так как зависят от рельефа земной поверхности. Их диапазон возможных значений для водоёмов суши многократно превосходит межширотную изменчивость слоя стока. Поэтому интенсивность внутреннего водообмена водоёмов суши азональна в ещё большей степени, чем интенсивность и структура их внешнего водообмена.

Взаимосвязь между структурой водного баланса водоёмов мира и интенсивностью их внутреннего водообмена показана в предложенной Б. Б. Богословским^[3] классификации водных объектов по водообмену, упрощенный вариант которой дается в табл. 3.3.

Таблица 3.3.

Гидрологическая классификация водных объектов

В группу транзитных водных объектов включены участки рек и очень проточные водохранилища. Приток воды с водосбора в любой участок реки и её сток из него составляют практически 100% в приходной и расходной частях водного баланса. Вертикальные компоненты внешнего водообмена участка реки всегда пренебрежимо малы. Коэффициент водообмена участка реки и некоторых небольших водохранилищ на многоводных реках (Святогорское на р. Вуокса, Кегумское на р. Западная Двина, Варваринское на р. Кура) составляет сотни раз в год, а период обмена — часы, сутки.

Вторая группа — транзитно-аккумулятивные водные объекты, в которых транзитный перенос воды и веществ, растворенных и взвешенных в ней, преобладает над процессом заиления ложа. Эта группа включает две подгруппы:

I — сильно проточные озёра и водохранилища суточного регулирования стока, структура их водного баланса напоминает речную, а период водообмена составляет в среднем сутки (небольшие карельские озера в озерноречных системах, Ладыженское водохранилище на р. Южный Буг);

II — умеренно проточные озера и водохранилища недельного регулирования (Саратовское, Днепродзержинское), структура водного баланса такая же, но время водообмена составляет уже не сутки, а недели-месяц. Коэффициент водообмена варьирует от 30 до 10 раз за год.

В водоемах аккамулятивно-транзитных процесс аккумуляции наносов и части растворенных веществ преобладает над их транзитом. Из-за того, что эти водоемы менее проточны, они названы сточными и подразделены на три подгруппы:

I — озёра с большим водообменом и водохранилища сезонного регулирования. В приходной и расходной частях водного баланса приток и сток заметно меньше, чем в водоёмах транзитно-аккумулятивных, и составляют около 80%. Коэффициент водообмена варьирует от 3 до 10 раз в год (озера Ильмень, Лача, Кубенское и водохранилища Горьковское, Камское, Волгоградское, Киевское, Кременчугское);

II — озёра сточные с умеренным водообменом (Вожс, Галичское) и водохранилища многолетнего регулирования стока: Рыбинское, Цимлянское, Мингечаурское, Можайское (его К^= 1,7 год^-1 в среднем и изменяется от 1,3 до 2,1 в годы разной водности). Доля притока и стока в эти водохранилища — 75% и больше в зависимости от величины удельного водосбора;

III озёра со слабым водообменом, приток и сток в них порядка 70% соответствующих частей водного баланса или немного выше, коэффициент водообмена меньше 0,1, и время водообмена составляет десятки и сотни лет.

К таким озёрам относятся Байкал (/С_в = 0,003), Ладожское (0,09), Онежское (0,08), Великие озёра Северной Америки, крупнейшие африканские озёра.

Аккумулятивная группа состоит из бессточных водоёмов (расходная часть баланса — испарение 100%). Она включает подгруппы:

I — пересыхающих бессточных озёр, расходная часть их водного баланса — только испарение;.

II в пепересыхающих бессточных озёрах (Аральское море, Балхаш, Чад, Каспий) приток составляет >50% приходной части водного баланса, а время обмена — десятки и сотни лет. И, наконец,.

III — Мировой океан, в приходной части водного баланса которого осадки составляют более 90%, коэффициент водообмена — порядка трех десятитысячных года, а период водообмена не менее трёх тысячелетий.

Итак, чем меньше удельный водосбор, значительнее доля осадков и испарения в структуре водного баланса водоёма, тем меньше его коэффициент водообмена, и больше роль влагои теплообмена водоёма с атмосферой. Слабое динамическое перемешивание воды в нем медленным стоковым течением, с одной стороны, и интенсивный прогрев поверхностного слоя воды с ветровым и конвективным перемешиванием — с другой, приводят к стратификации. Она способствует разнонаправленной в эпии гиполимнионе трансформации химического состава воды под воздействием жизнедеятельности фито-, зоои бактериопланктона, а в бессточных озёрах — ещё и садки солей. Поэтому вследствие присущих каждому континентальному водоёму особенностей внешнего и внутреннего водообмена, экологическое состояние озера или водохранилища зависит от азональных (определяющих водный баланс и проточность) и зональных (определяющих тепловой баланс) географических факторов.

Коитрольные вопросы:

• 1. Какие процессы внешнего водообмена формируют водную массу водоёма, и как они формализуются уравнением годового водного баланса, осредненного за многолетний период?
• 2. В чём различие водных балансов бессточных и сточных озер, и какие морфологические факторы стабилизируют колебания уровня в сточных озёрах и водохранилищах?
• 3. Что такое равновесный водный баланс озера и уровень равновесия в нем?
• 4. Какова роль видимого испарения в водном балансе водоёмов в гумидных и аридных природных зонах?
• 5. Что такое удельный водосбор и в чем его роль в формировании водного баланса?
• 6. Почему структура водного баланса зонального водоёма больше зависит от удельного водосбора, чем от видимого испарения?
• 7. Как использовать номограмму структуры водного баланса гидрологически неизученных водоёмов для оценки его средних многолетних составляющих?
• 8. Каковы методы расчёта притока воды, ее испарения, стока и аккумуляции для гидрометеорологически изученных водоёмов, в чём особенность таких расчетов для водохранилищ в сравнении с озёрами?
• 9. Способы оценки надежности расчётов составляющих водного баланса водоёмов суши?
• 10. Каковы три интегральных показателя проточности водоёмов, какая гипотеза внутреннего водообмена положена в их основу?
• 11. От каких географических факторов зависят значения показателей проточности озер и водохранилищ?
• 12. Почему в основу гидрологической классификации водоёмов мира положена взаимосвязь структуры водного баланса с их водообменом? В чём различие экосистем водоёмов с большим и малым удельным водосбором?

• [1] Wetzel R.G. Limnology: Lake and River Ecosystems. Third Edition. Academic Press, 2001. 1006 p. 2001
• [2] Штефан Валерий Николаевич (1950;1979), к. г. н., сотрудник Красновидовскойлаборатории водохранилищ
• [3] Богословский Б. Б., Филь С. А. Классификация водоёмов по внешнему водообмену // Географо-гидрологический метод исследования вод суши. — Л.: Географическое общество СССР, 1984. — С. 54−60.