Типы гидрологической структуры и взаимодействия водных масс

Сложность гидрологической структуры водоёма зависит от гидрографических особенностей водоёма и определяется числом выделяемых в нём водных масс. Наиболее проста она в малом голомиктическом озере или пруду с небольшим удельным водосбором и притоком воды из нескольких ручьёв. Такое озеро заполняет одна водная масса, которая в летний сезон расслаивается на две модификации: поверхностную — в эпилимнионе и глубинную — в гиполимнионе, если озеро достаточно глубокое. Генетически эта ВМ едина, консервативные её параметры практически одинаковы и неизменны в течение годового цикла, различия сезонных модификаций определяются вертикальным теплообменом и круговоротом химических веществ, который происходит из-за продукционно-деструкционных процессов и конвективно-ветрового перемешивания. Одномассовую гидрологическую структуру имеют и солёные озёра вследствие своей мелководности.

Гидрологическая структура несколько усложняется в водоёмах малого и среднего размера. Двухмассовая слоистая структура типична для слабопроточных меромиктических озер. Генезис водной массы в миксолимнионе и консервативные характеристики отличны от водной массы в монимолшшшоне, в которой солевой, газовый, бактериальный состав воды консервативен, как и температура воды, в отличие от вышележащей водной массы. Двухмассовая вертикальная структура формируется в сильно проточных озёрах, питающихся одной рекой, или в русловых и морфологически простых пойменно-долинных водохранилищах суточного регулирования или не регулирующих сток вовсе. К ним относятся «городские» водохранилища: Карамышевское — в Москве, Воронежское, Каунасское — нар. Неман^[1] (рис. 13.4).

После половодья, когда водоём промывается маломинерализованной водой, стрежневая зона заполняется меженной водой, и при Рис. 13.4. Гидрологическая структура Каунасского водохранилища.

Водные массы: Р — речная (РВМ), Р, — речная трансформированная (ОВМ).

Н — воды р. Нямунас.

Точками показаны станции экспресс-съёмок в 1967;1970 гг. (по: Лаумянскас, Станчувене, 1973).

замедлении стокового течения происходит её смешение с остатками вод половодья, сохраняющимися в менее проточных прибрежных зонах. Образуется трансформированная ОВМ, которая отличается от речной воды меньшей концентрацией консервативных веществ. В ней возможна слабо выраженная прямая термическая и кислородная стратификация без слоя сезонного скачка. Осенью может возникнуть транзит вод паводков, а в зимнюю межень — формирование зимней ОВМ смешением их с зимней модификацией речной водной массы. Фронтальные зоны практически вертикальны и размытые, широкие, с небольшими горизонтальными градиентами минерализации воды.

Чем крупнее и сложнее морфологическая структура чаши озера и ложа водохранилища, и чем меньше интенсивность водообмена, тем больше в водоёме число водных масс.

В многолопастном водоёме сложная miioi омассоваи гидрологическая структура может быть вертикальной, слоистой или смешанной — сочетающей оба типа структуры в плесах, различающихся проточностью. От сезона к сезону или при смене термодинамических периодов возможно чередование этих типов структуры в моно— и димиктических озёрах и водохранилищах сезонного или многолетнего регулирования.

Причина возникновения слоистой структуры в пресных слабопроточных водоёмах — процесс взаимодействия втекающей речной водной массой в плёс водоёма с заполняющей его основной водной массой. В зависимости от соотношения плотности воды р в РВМ и вертикального распределения плотности в ОВМ в периоды летней и зимней стагнации, взаимодействие этих двух водных масс может быть трёх видов:

• • натекание (гипопикнальное взаимодействие) при р_РВм < ровм (Бейтс, 1953);
• • внедрение (гомопикнальное взаимодействие, интрузия) в слой ОВМ с р = ррвм;
• • подтекание (гиперпикнальное взаимодействие) под ОВМ при ррвм > Ровм, которое и возбуждает придонные плотностные течения (см. раздел 6.3).

При ежегодном наполнении равнинных водохранилищ весенними речными водными массам при ещё низкой температуре воды (2−5 °С) и небольшом различии в минерализации (<100−200 мг/л) и плотности воды РВМ и зимней основной водной массы наблюдается четвёртый вид их взаимодействия. Происходит вытеснение речной водой зимней ОВМ по всему поперечному сечению долинного водохранилища. Давление волны половодья (или многодневного попуска из вышележащего водохранилища) вызывает подъём уровня в верховье водохранилища, а также в центральном и приплотинном районах, заполненных ОВМ. Из этих районов РВМ последовательно вытесняет ОВМ к гидроузлу, а через его водосбросные сооружения почти не разбавленная талыми водами зимняя ОВМ сбрасывается в нижний бьеф^1,2.

Два другого вида взаимодействия водных масс происходят в приплотинном плёсе водохранилища, если верхний бьеф имеет двухслойную (многослойную) гидрологическую структуру. Тогда вид взаимодействия зависит от четырёх факторов:

• — глубины плёса у водозаборного сооружения, которая изменяется при сработке полезного объёма;
• — высотной отметки, на которой находится водозаборное отверстие в этом сооружении,
• — расхода воды, забираемого через него из водоёма;
• — гидродинамической устойчивости пикноклина в горизонтальной фронтальной зоне между ОВМ и придонной водной массой или РВМ, достигшей гидроузла в плотностном придонном течении (рис. 13.5)

Между расходом воды Q, забираемой через водозаборное отвер-^[2][3]

Рис. 13.5. Разрез нриплотинного участка водохранилища: I — плотина; 2 — турбинный зал приплотинной ГЭС; 3 — гидрологический фронт водных масс в слоистой гидрологической структуре верхнего бьефа; 4- горизонт оси водозаборного отверстия

стае в водовод в плотине или в водозаборной башне насосной станции, и размером слоя воды /7, вовлекаемой потоком в это отверстие, существует взаимосвязь. Причем она зависит от гравитационной устойчивости слоёв воды разной плотности (Хендерсон-Селлерс, 1987):

где z_B — расстояние по вертикали между осью глубиного водозаборного отверстия и границей вовлекаемого в него потока воды, м; g — ускорение свободного падения, м/с²; Ар разность плотности на верхней и нижней границах зоны вовлечения воды в отверстие ирплотность воды на глубине оси потока.

Из равенства (13.4) видно, что вертикальный размер всасываемого в водозабор потока при заданном Q = const тем больше, чем меньше различие плотности водных масс в их фронтальной зоне. При большом расходе воды у водозабора в водной толще возникает воронка всасывания. В ней смешивается вся вода от поверхности до дна перед водозаборным сооружением и втягивается в его отверстие. Такое взаимодействие водных масс называют интегральным сбросом воды из водоёма (интегральным водозабором из водохранилища).

Если расход воды небольшой, возбуждаемая им скорость течения в гидродинамической области слива не может подавить гравитационную устойчивость пикноклина (критерий Ричардсона больше критического значения). В этом случае возникает явление селективного (выборочного) сброса воды. В водозаборное отверстие вовлекается только та водная масса, в толще которой оно расположено. Селективность водозабора используется для управления температурой и качеством воды в реках ниже гидроузлов, в многоярусных водозаборах башнях городских водопроводов, насосных станций ТЭС и АЭС, использующих озёра и водохранилища в качестве водоёмов-охладителий^[4].

При любом виде взаимодействия водных масс происходит их смешение наиболее интенсивное во фронтальной зоне и захватывающее периферийные участки водных масс в зонах их трансформации. Это явление называют фронтальной трансформацией. При ней степень смешения каждой характеристики состава воды одинакова и пропорциональна долевому участию вод каждой из водных масс в образующейся их смеси — 50%-ной на гидрологическом фронте и все более различающейся к границам фронтальной зоны и за её пределы (см. рис. 13.2).

В зависимости от особенностей динамического режима водоёма в течение года изменяется контрастность гидрологической структуры. Она тем больше, чем меньший объём находится в пределах фронтальных зон по сравнению с суммарным объёмом ядер водных масс вместе с зонами их трансформации. Чем сильнее контрастность, тем больше пространственные градиенты консервативных характеристик воды в гидрологическом фронте.

Наряду с фронтальной трансформацией в водоемах происходит и внутримассовая трансформация основной водной массы вследствие синоптической и внутрисуточной изменчивости радиационного баланса и связанных с ними продукционно-деструкционных процессов. Эта трансформация проявляется в изменчивости неконсервативных характеристик состава воды. Наиболее сильно они изменяются в вегетационный период в водах ядра ОВМ. Этот вид трансформации распространяется и на фронтальные зоны, накладывается на фронтальную трансформацию и в большей или меньшей степени влияет на значения неконсервативных характеристик, затрудняет их использование для выделения компонентов гидрологической структуры озёр и водохранилищ.

С возникновением летней стратификации и различий динамических и биохимических процессов в эпии гиполимнионе водоема его ОВМ расслаивается на две модификации, разделенные поверхностью пикноклина. Осенью всё более развивающейся конвективной циркуляцией они превращаются в осеннюю модификацию ОВМ, которая с образованием ледяного покрова и обратной стратификации трансформируется в зимнюю ОВМ. Сезонные модификации существенно различаются величинами неконсервативных характеристик свойств и состава воды основной водной массы, и менее значительно — консервативных. Их изменение может происходить из-за подпитки ОВМ речными и грунтовыми водами.

• [1] Лаумянскас Г. А., Станчувене Ж. В. Гидрохимическая характеристика водоемовЛитовской ССР И Тр. АН ЛитССР. — 1973. — Сер. Б. — Т. 4 (77). — С. 91−102.
• [2] Ершова М. Г. О распространении талых вод в Рыбинском водохранилище передего вскрытием // Бюлл. ИБВ. — № 13. — М.- Л.: Изд-во АН СССР, 1962. — С. 54−57.
• [3] Эделынтейн К. К. Формирование, перемещение и трансформация водных массГорьковского водохранилища // Химизм внутренних водоемов и факторы их загрязнения и самоочищения. — Л.: Наука, 1968. — С. 3−71.
• [4] Макаров И. И. Глубинные селективные водозаборы тепловых электростанций //Тр. коорд. совещ. по гидротех. — Вып. 39. — Л.: ВНИИГ, 1968. — С. 68−93.