Методы выделения водных масс

По происхождению водные массы в водоёмах суши делят на три типа:

• — речная водная масса (РВМ), формирующаяся на водосборе водоёма (аллохтонная) и занимающая в озёрах и водохранилищах область гидродинамического подпора, расположенную в приустьевом заливе или в главной долине и долинах притоков. Здесь ещё сохраняются ослабевающие с уменьшением уклона водной поверхности стоковые течения, и потому эти водные массы однородны от поверхности до дна (либо незначительно стратифицированы).
• — основная водная масса (ОВМ) — автохтонная, которая возникает в самом водоёме при смешении речных водных масс и их сезонных модификаций, поступивших в водоём в предшествующие фазы речного стока, а также из вод склонового стока и атмосферных осадков. В отличие от речных, основная водная масса в периоды стагнации стратифицирована, или периодически стратифицирована, если озеро полимиктическое;
• — придонная водная масса (ДВМ) — также автохтонная, образу-

Ершова М. Г. О применении статистических методов к выделению водных масс в водохранилищах // Биология внутренних вод: Информ. бюлл. № 2. — Л.: Наука, 1968.-С. 66−70.

ется смешением водной массы водоема с подземными водами, выклинивающимися в озёрной чаше или в ложе водохранилища.

В каждой водной массе водоёма имеется ядро — центральная часть её объема с наименьшими значениями пространственных градиентов (по вертикали dXfdz и в горизонтальной плоскости dX/dx и dXfdy) консервативных характеристик состояния водной массы. Совокупность нескольких характеристик, типичных для ядра конкретной водной массы, называют индексом ВМ. По периферии ядра в зоне трансформации водной массы градиенты характеристик её состояния постепенно возрастают по направлению к гидрологическому фронту вследствие частичного смешения с соседней водной массой.

Фронтальная зона находится между двумя водными массами. В ней происходит наиболее интенсивное их смешение, поэтому во фронтальной зоне градиенты характеристик отличаются наибольшими значениями. В её пределах расположен гидрологический фронт, принимаемый за границу между смежными водными массами.

Однопараметрический метод выделения водных масс и других компонентов гидрологической структуры водоёма основан на использовании одной, наиболее консервативной и самой репрезентативной характеристики состояния ВМ^[1]. Строится серия графиков разреза полей этой характеристики (например, минерализация) по данным се определения из проб с горизонтов 0, 5, 10, 20 м и т. д. всех станций, расположенных на линии разреза от устья главного притока через пелагиаль водоёма до противоположного берега, где находится исток озерной реки. Пример такого разреза показан на рис. 13.1. На графике рис. 13.1 в видно, что в ядре хорошо перемешанной ОВМ минерализация воды практически одинакова на всех станциях — горизонтальный градиент принятой для анализа характеристики dLCildL = 0. Такие ВМ называют водными массами I рода^[1].

Водная масса II рода отличается тем, что значение репрезентативной характеристики в ядре имеет незначительный градиент dLCi/dL = const, как в речной водной массе на рис. 13.1.

Гидрологический фронт соответствует точкам с наибольшим градиентом dLCi/dL = max, границы фронтальной зоны — точкам экстремумов второй производной fcCildL² = extr. Между границами ядра и фронтальной зоны находится зона трансформации соответствующей ВМ.

Рис. 13.1. План водоёма с сеткой разрезов и изолиниями поля характеристики ЕС/ на горизонте 0,5 м (а); продольный разрез водоёма (б); график распределения значений X на горизонте 0,5 м разреза (в). 1−9 — гидрологические станции, ГФ — гидрологический фронт, ФЗ — фронтальная зона (/), РВМ — речная водная масса (2) и зона ее трансформации зт, ОВМ — ядро основной водной массы (3) и зона ее трансформации (зт) Подобные графики для всех продольных сечений и горизонтов измерения значений репрезентативной характеристики дают в совокупности трехмерное изображение обычно изогнутых поверхностей гидрологического фронта. По ним возможна оценка объёмов обеих водных масс, объёмов зон их трансформации и объёма фронтальной зоны. Сравнение таких данных за разные периоды (между съёмками) позволяет определить перемещение ядра водных масс, изменение положения, объёма и формы фронтальной зоны. Эти изменения пространственного положения элементов гидрологической структуры водоёма характеризуют результаты динамических процессов во внутриводоёмном водообмене и формировании свойств основной водной массы водоёма.

Двухнараметрический метод выделения водных масс по двум характеристикам используется для выделения водных масс в вертикально неоднородной водной толще даже не очень глубоких водоёмов (Мамаев, 1987).

Это — так называемый Г^-анализ по температуре и солёности воды. Он основан на использовании пары любых, но обязательно взаимонезависимых характеристик, например, удельной электропроводности и цветности воды (для водоёмов заболоченных регионов) или минерализации ЕС/ и температуры (для глубокого солоноватого озера, питаемого паводковым стоком степной речки).

В поле двухпараметрической диаграммы (рис. 13.2) наносятся точки индексов (температура-соленость) двух смешивающихся водных масс — BMi (7ь S) и ВМ₂ (Т₂,S₂). (Тимофеев, Панов, 1962).

Эти точки соединяют «линией смешения», в середине которой Рис. 13.2. Двухпараметрическая диаграмма смешения двух водных масс — тёплой, маломинерализованной BMj и холодной, солоноватой ВМ₂

находится точка 50%-го смешения обеих водных масс. Её координаты соответствуют значениям обеих характеристик (Г| ф, ?С/'гф) на поверхности гидрологического фронта. Границы фронтальной зоны указывают точки, находящиеся на линии смешения посредине между точкой ГФ и точками индексов водных масс. Точка ФЗ1 показывает значения температуры и солёности на той границе фронтальной зоны, где смесь воды состоит на 75% из вод ВМ| и на 25% - из вод ВМ₂, точка Ф3₂ — значения Т и 1C/ на другой границе фронтальной зоны, на которой смесь вод содержит 25 и 75 % своего объёма из тех же водных масс. Фактические значения Г" 1C/, на любой /-той станции в экспресс-съёмке позволяют получить интерполяцией процентное соотношение смеси вод обеих водных масс на данной стации.

Оценку генетического состава смеси S', обеих ВМ можно выполнить по любой консервативной характеристике и по формуле объёмного смешения, получаемой из водно-солевого баланса смешивающихся объёмов воды w и и>₂, например, с солёностью S и S₂:

где w + и>2 = Wj — объём смеси вод на /'-той станции. Перепишем равенство так:

и, выполнив алгебраическое преобразование, получим:

Соотношение (13.3) характеризует долю объёма вод ВМ| в смеси вод на /-той станции, а величина w₂/w, = 1 — w/Vj— долю объёма вод ВМ₂ в смеси вод на той же станции.

Пример использования Г^-анализа данных термокондуктометрического зондирования рейдовой станции в Красновидовском плёсе для выделения водных масс, образующих водную толщу Можайского водохранилища в конце зимнего периода, представлен на рис. 13.3.

Изломанная форма /^-диаграммы характеризует трёхслойную вертикальную структуру, в которую к концу зимы деформировалась обратная температурная стратификация. На горизонте 8 м находится ядро зимней речной водной массы, которая в виде медленного хемогенного плотностного течения движется в русловой ложбине Москвы-реки из верховий воРис. 13.3. Структура водной толщи Красновидовского плёса: а — изменение с глубиной температуры и минерализации воды, вычисленной по измеренной её удельной электропроводности; 6 — 75;

диаграмма. У точек кривой — глубина, м дохранилища к плотине Можайского гидроузла. Гидрологический фронт 50.

%-ного её смешения с вышележащей зимней ОВМ находится на горизонте 7мна уровне бровки затопленной поймы, а второй гидрологический фронт между РВМ и ДВМ на горизонте 9 м, над наиболее плотной и тёплой придонной водной массой, подпитывающейся подземными водами^[3]. Ядро ОВМ (се минерализация — 215−225 мг/л и Т= 0,6−1,6 °С) расположено в слое 3−5 м. Над ним основная водная масса в подлёдном слое распреснена смешением с талой водой, проникшей через трещины и закраины. Мезотермический максимум температуры воды на горизонте 6 м образован поперечным плотностным стсканием придонной воды ОВМ с поверхности поймы к бровке русловой ложбины. Плотность этой надпойменной воды, нагретой теплоотдачей донных грунтов, меньше, чем более минерализованной РВМ. Поэтому прослойка воды с Т= 2,0 °С находится над верхним гидрологическим фронтом.

Выделение водных масс бывает затруднено в водоёмах, где взаимодействуют речные водные массы, обладающие близкими значениями наиболее консервативных характеристик. В этих случаях возможно применение методов статистического «распознавания образов», позволяющих использовать все имеющиеся характеристики состава и свойств воды, полученные в экспресс-съёмке. При многомерном кластер-анализе необходимо:

• — представить значения каждой характеристики в безразмерной форме хj = (Xj — Х_ср)/ох, где Х_{ — /-тая измеренная характеристика состояния воды, Х_ср — среднее её значение из всех измеренных в съёмке водоёма и с_х- стандартное отклонение пространственного ряда этой характеристики;
• — придать каждой из них весовой коэффициент, учитывающий репрезентативность (см. формулу 13.1) и консерватизм, пренебрегая при этом возможной их взаимосвязанностью.

• [1] Агеноров В. К. Об основных водных массах в гидросфере // Тр. НИУ ГУГМС. -Сер. V. — Вып. 10. — Свердловск, 1944. — 50 с.
• [2] Агеноров В. К. Об основных водных массах в гидросфере // Тр. НИУ ГУГМС. -Сер. V. — Вып. 10. — Свердловск, 1944. — 50 с.
• [3] Ершова М. Г. О динамике водных масс Можайского водохранилища в период ледостава // Комплексные исследования водохранилищ. — Вып. 1. — М.: Изд-во МГУ, 1971.-С. 65−76.