Рис. 136. Схема расчленения береговой области озерной котловины.
Озерами называются котловины или впадины земной поверхности, заполненные водой и не имеющие прямого соединения с морем.
Размеры озер колеблются в весьма широком диапазоне. Согласно приведенному определению, к озерам могут быть отнесены и такие крупные водоемы, как Каспийское и Аральское моря, а также сравнительно небольшие временные скопления воды в понижениях местности, образующиеся, например, в период весеннего снеготаяния.
При изучении столь значительных по размеру водоемов, как Каспийское и Аральское моря, широкое применение находят приемы океанографических исследований; поэтому в целом изучением гидрологического режима этих водоемов занимаются океанографы.
Иногда, в отличие от текущих вод (рек), озера определяют как водоемы с замедленным стоком или с замедленным водообменом.
При наличии котловины образование озера произойдет в том случае, когда приток воды в это углубление будет превышать потери на фильтрацию и испарение.
Искусственно созданное озеро называется водохранилищем. Если водохранилище имеет небольшие размеры, его называют прудом. Иногда прудами называют мелководные естественные озера, на площади которых распространена водная растительность.
Типы озер по характеру котловин. Несмотря на большое разнообразие встречающихся в природе озер, среди них могут быть выделены определенные типы, имеющие сходство по ряду признаков. Прежде всего можно выделить определенные типы озер в зависимости от условий образования озерного ложа.
По характеру котловин, послуживших основой для образования озера, можно выделить озера плотинные, или запрудные, котловинные и смешанные.
Плотинные озера образуются в том случае, когда долина перекрывается в каком-либо месте обвалом, ледником, наносамии т. п.; в эту группу входят и искусственные озера - водохранилища. Среди плотинных озер можно выделить речные, долинные и прибрежные.
Речные озера могут возникать как временные образования в результате резкого снижения стока отдельных рек в сухое время года; в этом случае реки нередко обращаются в цепочку озер, лежащих в долине и отделенных друг от друга сухими участками русла. Другим типом речных озер являются так называемые пойменные озера. Этот тип озер непосредственно связан с процессом образования стариц, возникающих вследствие преграждения отдельных рукавов реки грядой наносов и образования рекой нового русла.
Долинные озера могут возникать в горах от завалов. Озера завального происхождения образуются вследствие закупорки узкой долины продуктами разрушения их склонов.
Прибрежные озера бывают двух типов: лагуны и лиманы. Лагуны возникают в том случае, когда мелководные заливы, или бухты, отделяются от моря наносными песчано-глинистыми валами, или косами. Лиманы представляют собой затопленную морем устьевую часть долины.
Моренные озера обязаны своим происхождением деятельности ледников, особенно мощных ледниковых покровов четвертичного периода, которые погребали под собой огромные пространства. После отступления (таяния) и исчезновения такого ледникового щита на его месте остался обломочный материал, который переносил с собой ледник: глина, песок, щебень, крупные глыбы горных пород и т. д.
Большое скопление этого материала (так называемой морены) в одних местах и незначительное в других создает рельеф, отличающийся холмистостью, непрерывным и частым чередованием возвышенностей и понижений, причем понижения обычно бывают замкнутыми. Заполненные водой, они образуют моренные озера круглой или неправильной формы, со многими ответвлениями и заливами. В условиях моренного ландшафта немало озер, относящихся и к типу плотинных. Каровые озера занимают впадины, выработанные в ледниковое время совместной работой льда, фирна и морозного выветривания.
Карстовые озера представляют собой результат химической (растворяющей) деятельности подземных и поверхностных вод. Вынос растворенных веществ, а также тонких глинистых частиц (суффозия) может привести к образованию подземных пустот и оседанию кровли над этими пустотами, что обусловит появление воронок на поверхности земли; если эти воронки будут заполнены водой, на их месте возникнут карстовые озера.
Своеобразной разновидностью карстового типа озер являются термокарстовые озера, возникающие в результате заполнения водой углублений на поверхности земли, образующихся в областях развития вечной мерзлоты вследствие таяния подземных пластов или линз льда. Таяние этого льда не только способствует образованию озерной котловины, но и в значительной мере поставляет воду для заполнения котловины.
Дефляционные озера располагаются в котловинах, созданных в результате процесса выдувания, и в понижениях между барханами и дюнами.
Многие котловинные озера возникают в результате вулканических и тектонических процессов.
Тектонические процессы обусловливают появление котловин огромных размеров. Поэтому тектонические озера обычно глубоки. Примерами могут служить озера Иссык-Куль, Байкал, Севан и др.
Вулканические озера возникают либо в кратере потухшего вулкана, либо в углублениях на поверхности лавового потока, образовавшихся при его застывании, либо в долине реки вследствие перегораживания ее потоком лавы.
Элементы озерного ложа и береговой области. Впадина, находящаяся на земле и наполненная водой, имеет закономерно построенный рельеф, отличающий ее от впадин, не занятых водой.
Первоначальная форма котловин изменяется под действием размыва как поверхностным стоком в озеро, так и волнением: склоны котловины выполаживаются, неровности рельефа дна сглаживаются, заполняясь отложениями, откосы берега приобретают устойчивый профиль.
Раздел озероведения, в котором рассматриваются закономерности, проявляющиеся в формировании рельефа озерных котловин, называется морфологией озер.
Озерная котловина от окружающей местности отграничена коренным берегом, образующим береговой склон, или яр; основание этого берега располагается на верхней границе воздействия озерной волны. Заканчивается коренной берег бровкой, или линией сопряжения склонов с поверхностью прилегающей местности. Часть котловины, заполненная водой до высоты максимального подъема уровня, называется озерным ложем, или озерной чашей.
В озерной котловине прежде всего можно выделить береговую и глубинные области.
В береговой области выделяют три зоны:
1) береговые склоны (яр)- часть озерного склона, окружающая озеро со всех сторон и неподвергающаяся воздействию волнового прибоя;
2) побережье - включает сухую часть, которая подвергается воздействию воды лишь при сильном волнении и в особенности при высоком стоянии воды, затопляемую, которая покрывается водой периодически - во время подъема уровня воды озера, и подводную, которая обычно лежит под поверхностью воды и, в отличие от более глубоких частей береговой области, подвергается воздействию волны при волнении;
3) береговая отмель - заканчивается подводным откосом, являющимся границей между склоном и дном озерного ложа; верхняя часть береговой отмели соответствует нижней границе воздействия на береговую область волнового прибоя.
Указанные зоны береговой области озерной котловины в схематическом виде показаны на рис. 136.
Формирование озерного ложа под влиянием волнения и отложения наносов. Волнение, зависящее от силы ветра, глубины и размеров озера, воздействует в течение длительного периода на береговую область озерной котловины, разрушает слагающие ее горные породы и сносит размытый материал вниз по склонам и на дно озера. В результате этого увеличиваются размеры побережья и отмели размыва, одновременно с этим увеличивается площадь намыва и уменьшается за счет глубинной области озера.
Таким образом, озеро постепенно заносится благодаря действию волн. Степень интенсивности этого процесса, конечно, в значительной мере зависит от геологического состава пород, из которых сложен берег озера. Однако каков бы ни был береговой материал, он под действием волн и выветривания превращается, в конце концов, в мелкий камень, гравий и песок.
Кроме волнения, на форму озерного ложа существенное влияние оказывает процесс поступления аллювиальных наносов, приносимых впадающими в озеро реками. Впадающие в озеро поверхностные водотоки размывают по пути своего следования грунты и выносят продукты размыва в озеро.
Помимо минеральных осадков, попадающих в озерное ложе в результате волнения или приносимых течением рек, озерная котловина заполняется и отложениями ила органического происхождения. Этот ил является продуктом процессов, происходящих в самом озере, и образуется в результате отмирания и последующего осаждения на дно взвешенных в воде микроскопических животных и растительных организмов (так называемого планктона), а также в результате отмирания прибрежной растительности, распадающейся после перегнивания на мельчайшие частицы, легко уносимые течениями на середину озера. Интенсивное развитие указанных организмов в течение теплого периода года, а отмирание в течение холодного обусловливает послойное отложение этих илов на дне озера, что позволяет по слоям определять возраст озера.
Зарастание озер. Количество минеральных осадков и органического ила на дне озера увеличивается с каждым годом, вследствие чего дно постепенно повышается.
В озерах с пологими берегами водно-болотные растения надвигаются на озеро с берегов, окаймляя зеркало воды широким зеленым кольцом. Для мелководных озер с пологими берегами можно выделить ряд поясов, закономерно сменяющихся от берегов к центру озера (рис. 137).
Иногда на мелеющих озерах можно наблюдать сплавины - островки растительности, оторванные от берегов или непосредственно примыкающие к минеральному берегу. Сначала эти сплавины образуют небольшие площади, затем по мере дальнейшего обмеления озера они разрастаются, соединяются с другими и покрывают озеро сплошным покровом болотной растительности из травяного и мохового ярусов. Эти образования известны под названием зыбуна.
Географическое положение озера. Морфометрические характеристики. Важной характеристикой озера является его географическое положение (широта, долгота) и высота над уровнем моря. Эти данные уже позволяют составить общее представление об основных чертах режима озера. Географическое положение озера в определенной мере отражает общие климатические особенности района, а высотное положение определяет также местные влияния климатических и других факторов на процессы, происходящие в озере.
При изучении озер и озерных котловин важно установить не только условия их образования, но и определить ряд числовых характеристик, дающих количественные представления об основныхэлементах озера и озерной котловины. Эти характеристики носят название морфометрических.
Площадь озера вычисляется двояко: либо вместе с площадью островов, либо отдельно площадь водной поверхности. Так как берега озер не отвесны, площадь водной поверхности (зеркала озера) изменяется при изменении уровня озера. Длина озера - кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными точками, расположенными на берегах озера, измеряемое по поверхности озера. Таким образом, эта линия будет прямой лишь в случае сравнительно простых очертаний озера; для извилистого озера эта линия, очевидно, может быть и не прямой, а состоять из отдельных отрезков прямых и кривых линий.
Ширина озера - различают наибольшую ширину, определяемую как наибольший поперечник (перпендикуляр) к линии длины озера, и среднюю ширину, представляющую отношение площади озера со к его длине L
Широкое применение при оценке водных запасов озера имеет кривая изменения площади озера с глубиной, представляющая собой график связи площадей горизонтальных сечений озера и соответствующих им глубин, и кривая изменения объема озера в зависимости от его глубины.
На рис. 139 представлены кривые изменения площади и объема Онежского озера с глубиной. Такие кривые дают возможность определить площадь зеркала озера и объема воды для любого уровня. Эти величины необходимо знать при всех расчетах.
Объем воды в озере может быть определен по карте изобат, пользуясь "методом призм".
Средняя глубина озера равна отношению объема воды в озере к площади его зеркала.
Знание элементов, характеризующих форму озерной котловины, необходимо не только для того, чтобы понять основные закономерности режима озера, но и для решения ряда хозяйственных задач, связанных непосредственно с эксплуатацией озера. Например, при использовании озера в транспортных целях необходимо знать распределение глубин в пределах всей акватории и, в частности, в зоне береговой отмели. При регулировании стока вытекающих из озера рек необходимо иметь кривые зависимости объема воды и площадей озера от высоты стояния уровня. Для расчета элементов волн важно знать распределение глубин и ширин озера по различным направлениям и т. д.
Из общего объема воды (около 28000 км3), заключенной в озерах СНГ, примерно 82% (23000 км3) сосредоточено в оз. Байкал.
Элементы водного баланса. Водный баланс озера непосредственно определяется процессами притока и расхода воды. Приход воды в озеро осуществляется путем поверхностного и подземного притока и выпадения атмосферных осадков на его поверхность.
В некоторые периоды пополнение запасов воды в озере может происходить за счет конденсации водяного пара на его поверхности. Существенное влияние на водный баланс небольших озер, особенно в степных районах, оказывают скопления снега, переносимого ветром, в зарослях тростника, растущего по берегам.
Расходование поступающей в озеро воды происходит путем испарения с поверхности озера, поверхностного и подземного стока из него.
Совместное рассмотрение величин прихода-расхода воды за некоторый период времени сводится к составлению водного баланса водоема за этот период. Очевидно, что разность между приходом воды в озеро и расходом воды из него должна равняться увеличению или уменьшению запаса воды в озере.
По условиям формирования водного баланса озера можно разделить на две основные группы: сточные и бессточные.
Озеро будет бессточным, если поступающая в него вода полностью расходуется на испарение. Если приток превышает потери на испарение, то с течением времени котловина переполняется, а излишек воды стекает, образуя реку. Сточные и бессточные озера имеют определенные области распространения. В пределах северо-западной части Европейской территории СССР, где количество осадков сравнительно велико, а испарение мало, распространены сточные озера, на юго-востоке при большой сухости климата, наоборот, - бессточные. В частном случае сток из озера может осуществляться не поверхностным, а подземным путем.
В водном балансе водохранилищ, помимо указанных элементов, существенное значение могут иметь: сбросы через сооружения гидротехнического узла (ГЭС, шлюз, плотина), включая утечки через неплотности затворов; водозабор из водохранилища; потери воды на насыщение грунтов, слагающих ложе водохранилища; фильтрация в нижний бьеф в створе гидротехнического сооружения; объем воды, заключенной во льду и снеге, оседающих в мелководных частях водохранилища при его сработке зимой и всплывающих весной при наполнении водохранилища; временные потери на фильтрацию воды в берега водохранилища и возврат этих вод обратно при изменяющихся уровнях воды в водохранилище.
Уровенный режим озер. Колебания уровней сезонные, годовые и кратковременные. Уровенный режим озер определяется комплексом следующих природных условий:
а) соотношением между приходной (осадки на зеркало озера, поверхностный приток, подземный приток) и расходной частью водного баланса озера (испарение, поверхностный и подземный сток из озера);
б) морфометрическими характеристиками озерной чаши ,и озерной котловины (соотношение между высотой стояния воды в озере и площадью его водного зеркала);
в) размерами озера, его формой, характером берегов, характером ветровой деятельности, определяющим размеры волн, сгонов и нагонов уровня.
Колебания уровня озера могут быть сведены к следующим трем основным видам: сезонные, годовые и кратковременные. Иногда колебания уровня в годовом (сезонные) и многолетнем периоде, отражающие режим притока и убыли воды в озере, называют абсолютными колебаниями, а кратковременные, которые происходят одновременно с абсолютными изменениями уровня, называют относительными колебаниями. В силу того что относительные колебания протекают одновременно с абсолютными, они дополнительно увеличивают или уменьшают амплитуду абсолютного колебания уровня озера в отдельных его пунктах.
Сезонные колебания, происходящие в течение года, обусловливаются различными в разные месяцы, но более или менее правильно ежегодно повторяющимися соотношениями между приходной и расходной частями водного баланса. Амплитуда годовых колебаний уровня воды в разных озерах различна и зависит oт ряда факторов: климатических условий, характера питания, размера площади водосбора, размера озера, геологических условий озернОГО ложа и др. Абсолютные значения амплитуды колебания уровней естественных озер изменяются в довольно широких пределах - от десятков сантиметров до 2-4 м и больше в зависимости от сочетания указанных выше условий.
После ряда многоводных лет, когда приток превышает расход, воды из озера, имеет место более высокое стояние уровней, чем после маловодных периодов. Вследствие того что на крупных (особенно бессточных) озерах уровень каждого данного года является следствием характера водности ряда предшествующих лет, низкий уровень может иметь место и в многоводном году, если этот год входит в цикл лет маловодного периода, и высокий - в маловодном, если этот маловодный год наблюдается в пределах многоводного периода.
Кроме отмеченной причины, имеющей место на каждом озере, иногда наблюдаются так называемые вековые колебания, вызываемые геологическими факторами (поднятие, опускание озерной котловины и отдельных частей ее). Кратковременные, или относительные, колебания уровней воды в озере являются следствием волнения, ветровых нагонов и сгонов и сейш.
Постоянные и временные движения водных масс. Движения водной массы, возникающие в озерах, могут быть разделены на постоянные и временные.
Постоянные движения воды в озере в форме течений вызываются впадающей в озеро или вытекающей из него рекой (сточные течения). Интенсивность таких течений определяется соотношением объема озера и расхода втекающей или вытекающей реки. Если объем воды в проточном озере невелик по сравнению с объемом воды, втекающей в озеро, то в озере устанавливается течение, аналогичное течению в реке, лишь с соответственно меньшими скоростями. Такое проточное озеро может в некотором смысле рассматриваться как крайний случай значительного расширения русла реки.
Если, наоборот, объем озера весьма велик по сравнению с объемом воды, втекающей и вытекающей из него, то, хотя оно и в этом случае называется проточным, но во многих отношениях по характеру происходящих в нем процессов ближе подходит к бессточному озеру. Течение такого типа наблюдается в оз. Байкал, объем которого чрезвычайно велик по сравнению с объемом стока втекающих в него рек Селенги, Верхней Ангары и др. и вытекающей из него р. Ангары. Временные движения водной массы озера могут проявляться в виде течений и волнения.
Среди временных течений прежде всего следует выделить такие, которые возникают под действием ветра и вследствие неравномерного нагревания и охлаждения воды озера. Ветровые (дрейфовые) течения оказывают особенно значительное влияние на характер физических процессов в озерах с большой площадью, плоской формой озерного ложа и малыми глубинами.
Неравномерность охлаждения и нагревания водных масс озера прежде всего вызывает вертикальные, так называемые конвекционные токи, в некоторой степени оказывающие влияние и на горизонтальные перемещения водных масс.
Среди временных движений водных масс озера наибольшее значение имеют ветровые волны и сейши.
Ветровые волны. Исследования показали; что если две среды разной плотности расположены одна над другой, но только в состоянии покоя одной среды относительно другой разделяющая их поверхность будет плоскостью. Если одна из них движется по отношению к другой, то разделяющая их поверхность принимает волнообразный характер, причем размеры волн зависят от скорости движения, разности плотностей и глубин обеих сред.
При движении воздуха над водной поверхностью в результате трения создается неустойчивое равновесие на поверхности их раздела, которое, неизбежно, нарушаясь, закономерно переходит в устойчивую в этих условиях волновую форму с повышением плоскости раздела против начальной линии уровня в одних местах и с понижением в других.
Волны характеризуются следующими элементами:
- вершина, или гребень, волны - высшая точка волны А;
- подошва, или ложбина - самая низшая точка волны В;- высота волны - разность отметок гребня и подошвы;
- длина волны - расстояние между двумя вершинами или двумя подошвами;
- крутизна волны (а) в данной точке - тангенс угла, составляемого касательной к профилю волны с горизонтальной линией. Часто в расчетных зависимостях под крутизной волны понимают не крутизну в данной точке, а отношение длины волны к высоте волны;
- период волны - промежуток времени, в течение которого волна пробегает расстояние, равное ее длине;
- скорость распространения волны - расстояние, проходимое какой-либо точкой волны (например, гребнем) в единицу времени. По внешней форме различают:
а) правильное, или двухмерное, волнение, когда наблюдается одна система волн, распространяющихся в одном направлении и имеющих одну форму и размеры;
б) неправильное, или трехмерное, волнение, состоящее из беспорядочно движущихся волн, гребни и ложбины которых разбиты на обособленные бугры и впадины.
Применительно к случаю правильных двухмерных волн существует теория волнения, известная под названием теории трохоидальных волн. Эта теория устанавливает внешнюю форму волны и законы движения частиц воды.
Форма волны, согласно рассматриваемой теории, представляет собой трохоиду, т. е. кривую, описываемую какой-либо точкой внутри круга, катящегося (без скольжения) по прямой, тогда как точка на окружности такого круга описывает кривую, называемую циклоидой.
Сейши. Иногда в озере возникает колебание всей массы воды, причем по поверхности ее не распространяется никакой волны. Такое колебательное движение называется сейшами. При сейшах поверхность озера приобретает уклон то в одну, то в другую сторону. Неподвижная ось, около которой колеблется зеркало озера, называется узлом. Как показывают исследования, сейши более устойчивы в глубоководных водоемах, чем в мелководных.
Нагревание и охлаждение озер происходит под воздействием составляющих теплового баланса. Наряду с элементами теплового баланса на температуру поверхности и ее распределение по вертикали и акватории озера существенное влияние оказывают глубина водоема, размеры водной поверхности и расчленение береговой линии водоема бухтами, заливами, наличие островов и пр.
Малые озера обычно лучше защищены от действия ветра, поэтому и процессы ветрового перемешивания на них менее выражены, чем на крупных озерах.
Расчеты, произведенные в ГГИ, показывают, что за период, свободный ото льда, для озер, расположенных в различных районах СССР, наблюдается сравнительно устойчивое соотношение между слагаемыми теплового баланса, обусловленными испарением, эффективным излучением, конвекцией и поглощенной водой суммарной солнечной радиацией. Во всех случаях для периода, свободного ото льда, максимум расхода тепла падает на испарение, на которое расходуется 40-70% поглощенной водой суммарной солнечной радиации; на эффективное излучение расходуется порядка 25-35%, на турбулентный теплообмен с атмосферой 2-25%, и меньше всего затрачивается тепла на теплообмен с дном (0-4%).
Смена нагревания и охлаждения происходит неодновременно во всей толще воды. Наиболее резкие изменения температуры наблюдаются на поверхности водоема, откуда они под влиянием динамического и конвективного перемешивания, течений и волнения распространяются по всей толще воды.
Направление конвективного перемешивания, происходящего под влиянием разности плотностей воды на разных глубинах, будет различным в зависимости от того, выше или ниже 4° С (для пресных озер) температура к моменту возникновения конвекции.
Если температура воды озера от 0 до 4° С, то у поверхности, находится вода с более низкой температурой, а ниже в соответствии с изменением плотности располагаются слои с последовательно увеличивающей температурой, все более приближающейся к 4° С. В этом случае имеет место обратная термическая стратификация. С того момента, когда приходные составляющие теплового баланса начинают превышать расходные, увеличивается температура поверхностных слоев, которые, нагреваясь до 4° С, как более тяжелые опускаются вглубь, а на их место под влиянием конвекции поднимаются более холодные массы воды.
Когда температура по всей толще воды озера достигнет 4° С, дальнейшее нагревание поверхностных слоев приведет к повышению их температуры, но распространение тепла в глубину конвекцией происходить уже не будет. Возникнет прямая термическая стратификация, характеризующаяся убыванием температуры воды от поверхности в глубину.
Явление постоянства температуры по глубине, устанавливающейся осенью после нарушения прямой стратификации и весной после нарушения обратной стратификации, называют осенней и весенней гомотермией.
В результате суточного обмена тепла указанная картина несколько усложняется. Начиная с весны, после того как установится прямая температурная стратификация, в течение дня верхние слои воды будут нагреваться, а ночью, когда нагревание солнцем прекращается, охлаждаться. Этот процесс ведет, в конце концов, к выравниванию температуры в некотором поверхностном слое воды. В результате на нижней границе этого слоя температура резко изменяется, образуя так называемый слой температурного скачка. Слой скачка в течение лета непостоянен; появляясь весной, он летом углубляется и исчезает лишь осенью, когда нагревание озера ослабевает.
Слоем скачка вся толща озерной воды разделяется на два слоя: верхний (эпилимнион) с малыми градиентами температуры из-за интенсивного перемешивания и нижний (гиполимнион) также с малыми градиентами, но, наоборот, обусловленными слабым перемешиванием.
Изменение температуры воды в озерах в течение года. В соответствии с годовым ходом составляющих теплового баланса температура воды имеет ясно выраженный годовой ход:
В годовом цикле изменения температуры воды можно выделить следующие периоды: 1) весеннего нагревания, 2) летнего нагревания, 3) осеннего охлаждения, 4) зимнего охлаждения.
Период весеннего нагревания начинается с момента, когда устанавливается направленный в воду тепловой поток. На замерзающих озерах весеннее нагревание воды начинается еще при наличии ледяного покрова за счет поглощения проникающей сквозь лед (после схода снега) солнечной радиации. Заканчивается период весеннего нагревания установлением температуры максимальной плотности во всей толще озера.
Период летнего нагревания начинается с момента перехода гомотермии в прямую стратификацию. Перемешивание в это время осуществляется главным образом деятельностью ветра, при этом по мере усиления прямой стратификации сопротивление перемешиванию возрастает и теплообмен с нижележащими слоями становится все более затруднительным. Особенно большое сопротивление перемешиванию оказывает образующийся летом слой скачка, имеющий большие градиенты плотности и, следовательно, обладающий большой устойчивостью. Конвекция проявляется при этом только во время ночного охлаждения. В соответствии с характером распределения температуры по вертикали водная толща достаточно глубоких озер распадается на три слоя: эпилимнион, металимнион и гиполимнион.
Металимнион, является зоной температурного скачка. Нижняя граница металимниона неопределенна и постепенно переходит в гиполимнион.
Период осеннего охлаждения начинается с момента появления отрицательного теплового потока и заканчивается установлением температуры наибольшей плотности во всей толще озера.
Период зимнего охлаждения начинается с момента образования обратной стратификации температуры и на замерзающих озерах заканчивается с наступлением ледостава. С установлением ледяного покрова охлаждение осуществляется путем теплопроводности через толщу снега и льда. Поскольку этот процесс идет медленно, поступление тепла от дна начинает превышать расход путем теплопроводности и в мелководных озерах часто наблюдается повышение температуры воды после ледостава.
Термические типы озер. Ледовые явления. Влияние озер на климат побережий. В зависимости от характера температурной стратификации озера могут быть разделены на следующие типы: 1) теплые с постоянной прямой стратификацией, 2) холодные с постоянной обратной стратификацией, 3) смешанные с переменной стратификацией по временам года.
С момента установления обратной стратификации при продолжающемся понижении температуры воздуха верхние слои воды охлаждаются до 0°С и начинается процесс замерзания озера.
Вначале лед образуется у берегов, на отмелях, в заливах, а затем ледяной покров распространяется и на более глубокие места. Так как замерзание озера может начаться только после того, как температура всей массы воды понизится до 4°С, а верхних слоев - до 0°С, тепловая инерция оказывает существенное влияние на сроки замерзания. В случае тихой погоды озеро сравнительно небольших размеров, охлажденное в предшествующие дни, может покрыться по всей поверхности тонкой ледяной пленкой в течение одной ясной морозной ночи. На крупных озерах процесс замерзания может продолжаться длительное время, а в отдельные годы наиболее глубокие части озера могут вообще не покрываться льдом (Ладожское озеро). Увеличение толщины ледяного покрова сначала происходит довольно быстро, а затем постепенно замедляется и, наконец, совсем прекращается.
С установлением положительного теплового баланса происходит таяние и разрушение льда, а затем и вскрытие озера. Обычно в озерах лед тает на месте; в проточных озерах лед может увлекаться рекой, вытекающей из озера. Например, лед из Ладожского озера проходит по р. Неве и создает второй более поздний по времени "ладожский ледоход".
Озера оказывают влияние на климат прилегающих к ним районов. Это влияние определяется размером водной поверхности озера и объемом его водной массы. Испарение с водной поверхности в первую очередь влияет на влажность воздуха приозерного района. Обладая большой тепловой инерцией, крупные, незамерзающие водоемы смягчают климат прибрежных районов.
Формирование химического режима. Главнейшие ионы, содержащиеся в озерной воде. Химический состав озерной воды определяется составом воды притоков и питающих озеро подземных вод, а также тесно связан с биологическими процессами, происходящими в озере, и с комплексом физико-географических условий, характеризующих бассейн водосбора озера. Особое значение в процессах формирования химического состава озерной воды имеет наличие или отсутствие стока из озера. В бессточных озерах, расходующих воду на испарение, происходит систематическое накопление поступающих солей и повышение их концентрации, поэтому они часто превращаются в соленые озера. Наоборот, в проточных озерах соли могут свободно выноситься вытекающими из них потоками, поэтому в проточных озерах обычно не наблюдается высокой концентрации солей.
Минерализация озерных вод колеблется в широких пределах: от нескольких тысячных до 350 г на 1 кг раствора.
Минерализация воды озер, имеющих сток, обычно не превышает 200-300 мг/л. Минерализация таких озер, как Байкал, Ладожское, Онежское, не превышает 30-100 мг/л.
Особенно бедны растворенными солями воды горных озер, расположенных среди малорастворимых кристаллических пород и питающихся слабоминерализованными талыми снеговыми и ледниковыми водами, а также воды озер, находящихся среди верховых сфагновых болот и питающихся почти исключительно атмосферными осадками.
Наиболее богаты солями озера засушливых и полупустынных областей.
Особо интенсивное поступление минеральных солей в водоемы может приводить к возникновению так называемых меромиктических (двуслойных) озер. В частности, такие водоемы могут возникнуть в результате сброса в них промышленно-коммунальных стоков, особенно отходов содовой промышленности.
Указанные водоемы характеризуются расслоением водной массы на два, практически не перемешивающихся между собой слоя. Нижний слой с водой повышенной плотности выступает как бы в форме жидкого дна для поверхностного слоя. Различие плотностей верхнего и нижнего слоев определяется количеством содержащихся в них минеральных веществ.
В зависимости от условий формирования нижнего слоя меромиктические озера разделяют на эктогенные, креногенные и биогенные.
Эктогенными называют озера, в которых нижний более плотный слой сформировался в результате проникновения в озеро морской воды.
Креногенными называют озера, у которых повышенная плотность монимолимниона обусловлена, притоком подземных вод высокой минерализации.
В биогенных озерах повышение плотности воды нижнего слоя происходит в результате постепенного накопления в придонном слое продуктов разложения органического вещества.
В качестве характеристик светового режима водоемов может служить прозрачность воды и ее цвет. Под прозрачностью, или глубиной видимости, условно понимается глубина, на которой белый диск диаметром 30 см, погруженный в воду, перестает быть видимым для наблюдателя, глаз которого находится на расстоянии не более 2 м над поверхностью воды. В водах с большим количеством взвешенных частиц прозрачность может уменьшаться до 20- 25 см. В озерах с чистой водой прозрачность достигает нескольких метров, а наибольшая глубина видимости диска в оз. Байкал достигает 42 м.
Цвет воды озер отличается большим разнообразием: от синих, сине-зеленых тонов в глубоких озерах с чистой водой до желто-сине-зеленых оттенков в неглубоких и менее чистых водоемах и коричневых в водоемах, получающих болотную воду.
Биологические процессы. Типы озер по питательности содержащихся в воде веществ. Развивающиеся в озерах биологические процессы непосредственно обусловлены химическим составом озерной воды, ее прозрачностью, размером озера и связанным с ним термическим режимом.
Обитателей вод можно разделить на три основные группы в зависимости от условий их перемещения и зон распространения в озере:
1) планктон - мельчайшие организмы, находящиеся во взвешенном состоянии и пассивно передвигающиеся вместе с водой;
2) нектон - организмы, активно передвигающиеся в воде;
3) бентос - организмы, живущие на дне озера. По питательности содержащихся в озере веществ различают три типа озер:
1) олиготрофные озера (с малым количеством питательных веществ) характеризуются обычно большими или средними глубинами, значительной массой воды ниже слоя температурного скачка, большой прозрачностью, цветом воды от синего до зеленого, постепенным падением содержания кислорода ко дну, вблизи которого вода всегда содержит значительные количества О2 (не менее 60-70% содержания его на поверхности);
2) евтрофные озера (с большим содержанием питательных веществ) обычно отличаются небольшой глубиной (слой ниже температурного скачка очень невелик), они хорошо благодаря этому прогреваются, прозрачность воды в них невелика, цвет воды - от зеленого до бурого, дно устлано органическим илом. Содержание кислорода резко падает ко дну, где он часто исчезает совершенно;
3) дистрофные озера (бедные питательными веществами) встречаются в сильно заболоченных районах; вода отличается малой прозрачностью, желтым или бурым (от большого содержания гуминных веществ) цветом воды. Минерализация воды мала, содержание кислорода пониженное из-за расхода его на окисление органических веществ.
Озерные отложения. Донные отложения в озерах формируются в результате:
поступления в озеро речных и эоловых наносов и продуктов абразии (разрушения берегов (терригенные разрушения);
накопления продуктов химических реакций (хемогенные отложения);
отложения остатков отмирающих живых организмов (биогенные отложения);
Биогенные отложения подразделяются на: 1) минеральные остатки отмерших организмов и 2) органические вещества.
Компоненты озерных отложений, поступающие в озеро извне, называют аллохтонными, а образующиеся в самом озере - автохтонными.
Особо важную форму озерных отложений представляют сапропели (гниющий ил), представляющие собой уплотнившиеся осадки преимущественно органического происхождения.
Местом образования сапропелей являются тихие и достаточно глубокие водоемы с застойной или малопроточной водой. В проточной, богатой кислородом воде образование сапропелевых отложений сильно затруднено, так как здесь в результате распада отмерших организмов от них не остается заметных следов. В мелководных озерах образованию сапропеля не благоприятствует относительно большое содержание кислорода по всей глубине водоема; развивающаяся в этом случае богатая растительность дает образование иному виду озерных отложений - торфу.
Интенсивное использование водных ресурсов связано с созданием водохранилищ различных размеров, позволяющих накапливать воду в период избытка речного стока и использовать ее затем для выработки энергии, водоснабжения, орошения полей, повышения глубин рек в межень и др.
Водохранилища в зависимости от их морфологических и гидрологических особенностей можно разделить на несколько групп. Так, по величине напора, создаваемого плотиной, среди крупных водохранилищ можно выделить:
1) равнинные с напором 15-35 м;
2) предгорные с напором 50-100 м;
3) горные с напором у плотины 200 м и более.
Обычно водохранилища располагаются в долинах рек. Это так называемые русловые (речные) водохранилища. В условиях широких долин русловые водохранилища приобретают ясно выраженные черты искусственных озер. Иногда в систему емкостей, регулирующих сток рек, включают естественные озера, в которых накапливают дополнительные запасы воды путем возведения плотин в истоке реки, вытекающей из озера. В этом случае образуются озерные водохранилища.
В искусственно создаваемых водоемах сразу после их возникновения начинают проявляться характерные для них гидрологические закономерности, не всегда и не во всем соответствующие развитию этих процессов в естественных озерах.
Режим уровней. Быстрое наполнение и сработка водохранилищ создают резкие колебания уровней. Интенсивность этих колебаний зависит от соотношения объема притока и расходования воды из водохранилища. На крупных водохранилищах колебания уровней вследствие изменения условий притока и расходования воды осуществляются в течение годового цикла, при этом уровни достигают наивысшей отметки весной при заполнении водохранилища и снижаются до наименьших отметок к концу зимы.
На водохранилищах малой (по отношению к притоку) емкости уровни колеблются значительно более резко, существенно изменяясь в течение суток и даже нескольких часов.
Условия водообмена. Второй особенностью водохранилищ является их относительно большая проточность по сравнению с озерами такой же площади. Вследствие повышенной проточности наблюдаются более высокие скорости постоянных течений. Даже в таком крупнейшем водохранилище, как Рыбинское, замена воды в пределах сливной призмы в среднем осуществляется примерно дважды в течение весны. Полная смена воды в пределах этого водохранилища в среднем осуществляется в течение годичного периода.
Сравнительно быстрая смена водных масс обеспечивает большее выравнивание температуры в водохранилищах, чем обычно наблюдается в озерах, а это в свою очередь приводит к меньшему нагреву поверхностных слоев воды по сравнению с теми условиями, которые имели бы место на озерах той же площади, расположенных в однородных климатических условиях.
Отложение наносов в водохранилищах. Общими чертами процесса отложения наносов в водохранилищах разных типов являются формирование области интенсивного отложения более крупных наносов в зоне выклинивания подпора и распространение мелких фракций по акватории водохранилища. Часть наносов мелких фракций выносится за пределы водохранилища при сбросе воды из него.
В периоды сработки водохранилища зона выклинивания подпора перемещается к плотине и соответственно происходит передвижение области сосредоточенного отложения наносов. Этот процесс, повторяющийся периодически, способствует передвижению донных наносов к плотине и заполнению ими мертвого объема водохранилища. Чем меньше относительная емкость водохранилища, тем резче выражен этот процесс.
Более мелкие фракции распределяются по всей акватории с усилением процесса отложения в пределах затопленных пойм и других участков, где наблюдаются особо малые скорости течения.
Интенсивность заполнения водохранилища наносами зависит от его емкости и годового стока наносов.
Для водохранилищ озеровидного типа количество наносов, выносимых вместе со сбросом воды, весьма невелико, и поэтому интенсивность годичного заполнения водохранилища наносами можно принимать равной отношению мертвого объема к объему годового стока наносов. В русловых водохранилищах в силу их значительно большей проточности задерживается только некоторая часть из поступающих в них наносов. Несмотря на это, русловые водохранилища, обладая существенно меньшими объемами по сравнению с озеровидными водохранилищами, заиливаются значительно быстрее.
В русловых водохранилищах, создаваемых на реках, обладающих весьма высокой мутностью, может возникать донный поток тяжелой смеси, двигающийся от зоны выклинивания подпора до самой плотины. Это явление, например, было изучено на Гуаньтинском водохранилище р. Юндинхэ (КНР). Здесь речная вода, обладающая в период паводка большей мутностью, чем мутность воды водохранилища, опускается в придонные слои и в форме устойчивого потока перемещается до плотины.
Формирование берегов. С созданием водохранилищ коренному переформированию подвергаются затапливаемые речные долины, особенно в береговой зоне водохранилища. Процессы, происходящие при формировании берегов водохранилищ, весьма существенно отличаются от тех, которые наблюдаются в береговой зоне озер.
Береговая область озер в течение многолетнего периода существования в условиях достаточно размываемых грунтов приобретает пологие очертания. Ветровые волны, воздействуя на берега озер, выносят в глубь озера более мелкие частицы грунта, делают откос более пологим и создают отмостку из крупных фракций грунта; эти частицы грунта создают защитный слой, предохраняющий берег озера от дальнейших разрушений. Указанный процесс, продолжаясь весьма длительный период, приводит к созданию береговой зоны, являющейся относительно устойчивой при данных условиях ветрового волнения, уклона склонов и размеров частиц верхнего слоя грунта.
Таким образом, естественные озера в условиях равнинного рельефа имеют такие берега, на которых уже не происходят интенсивные процессы размыва. Имеющиеся движения твердых частиц, образующих берег, обычно приводят к их перемещению в береговой зоне без существенного сноса в глубинную область. После создания водохранилищ ветровые волны, достигающие иногда высоты 3 м, сразу начинают интенсивно размывать склоны речной долины, которые до этого не соприкасались с водой и имели профиль, сформированный в условиях отсутствия постоянного воздействия воды. Внезапное нарушение условий существования склонов речных долин, превращаемых в берега водохранилищ, приводит к стремительному одностороннему их преобразованию.
Можно сказать, что береговая зона озера находится в пределах уже развившегося процесса, а береговая зона водохранилищ находится в стадии преобразования. В процессе преобразования береговой зоны водохранилищ даже в течение одного летнего сезона могут происходить обрушения берегов на расстоянии нескольких десятков метров от первоначального положения. При этом высота откосов может достигать 40-60 м и более. Общая зона разрушения береговой области до момента образования более или менее устойчивых береговых очертаний может достигать нескольких (двух-трех) километров.
В условиях водохранилищ, создаваемых подпором больших рек, основным фактором, определяющим процесс формирования береговой области, является ветровое волнение. Скорости течения, определяемые транзитными расходами воды, в больших водохранилищах малы для того, чтобы создать значительные размывы берегов.
Ледовый режим. С образованием водохранилищ резко изменяются термический режим и ледовые условия, наблюдавшиеся до этого на реке. Вместе с тем они существенно отличаются и от условий, наблюдающихся на озерах, расположенных в тех же климатических зонах. Эти отличия возникают прежде всего вследствие того, что амплитуда колебания уровней и степень проточности водохранилищ, как указывалось выше, являются существенно большими, чем у озер. В результате сработки уровня ледяной покров в прибрежной зоне водохранилищ деформируется, оседает на берега и ломается. Режим нарастания и таяния ледяного покрова в центральной части водохранилища существенно не отличается от наблюдаемого на озерах.
Начало замерзания наступает одновременно с появлением льда на реках, который выносится в водохранилище. Сплошной ледяной покров на водохранилищах устанавливается раньше, чем на соответствующих участках рек в естественном состоянии. Это происходит потому, что в водохранилищах скорости течения значительно меньше, чем в реках.
Вскрытие водохранилищ начинается несколько позже, чем вскрытие рек, где разрушение ледяного покрова происходит в результате воздействия скорости течения.
Гидрохимический режим. Регулирование стока водохранилищами вызывает изменение минерализации воды. В условиях засушливого климата, где расходы на испарение значительны, минерализация воды в водохранилищах может весьма существенно увеличиться по сравнению с минерализацией поступающих в них поверхностных и подземных вод.
Концентрация растворенных солей в водохранилище определяется многими факторами, среди которых главнейшими являются:
1) химический состав поверхностных и подземных вод, питающих водохранилище;
2) режим регулирования;
3) количество выпадающих атмосферных осадков и потери воды на испарение;
4) содержание солей в почво-грунтах дожа водохранилища;
5) биологические и биохимические процессы в воде водохранилища;
6) состав и количество сбросных вод промышленных предприятий.
Среди большого многообразия причин, определяющих черты гидрохимического режима водохранилищ, главнейшей является соотношение элементов водного баланса.
В зоне избыточного увлажения, где поверхностные воды не сильно минерализованы, а объем подземного притока, имеющего более высокую минерализацию, в общем годовом стоке невелик, изменения в ионном составе воды будут незначительны. Если водохранилище обладает достаточно большой емкостью и, следовательно, способно аккумулировать значительную часть вод половодья, то в этом случае сезонные изменения минерализации воды в водохранилище будут происходить в более узких пределах, чем были в реке до создания водохранилища.
В районах недостаточного увлажнения и особенно в засушливых местностях минерализация воды в водохранилищах подвержена значительно большим изменениям. В первый период после заполнения водохранилища в этих районах на формирование гидрохимического режима будет оказывать, влияние процесс вымывания солей из почв и грунтов, которыми они в этих климатических условиях значительно более богаты, чем в зоне избыточного увлажнения.
Однако главное влияние на изменение минерализации воды в данных условиях будет оказывать чередование многоводных и маловодных периодов как внутри года, так и в течение более продолжительных интервалов времени. Уменьшение притока при большом значении испарения сразу вызовет резкое (в 2-3 раза и более) возрастание минерализации воды и, наоборот, увеличение притока вызовет уменьшение минерализации.