ВОДНИЙ БАЛАНС І РІВНЕВИЙ РЕЖИМ ОЗЕР

Об’єм води в озері постійно змінюється: частина води витрачається з озера, частина надходить до нього. Рівновага, яка існує між зміною об’єму води в озері за якийсь час і кількістю води, яка надходить в озеро і витрачається за той самий час, називається водним балансом. Водний баланс визначає величину водної маси озера, показує зміни її в часі. Від нього залежать основні риси гідрологічного режиму озера.

За водним балансом озера поділяються на безстічні та стічні. Безстічні озера - це озера, які не мають ні поверхневого, ні підземного стоку, витрачають воду лише на випаровування. Стічні озера — такі, які витрачають воду з поверхні на випаровування й на поверхневий і підземний стік. Серед стічних озер виділяються проточні озера, в яких стік становить значну частку водної маси. В цих озерах добре простежується течія, яка пов’язана з режимом рік, які впадають і витікають.

Особливу групу складають озера з перемінним стоком. Вони мають стік під час високої води (повені, паводків), а під час межені належать до безстічних озер, бо водотоки, які витікають з них, пересихають.

Вода в озеро може надходити за рахунок атмосферних опадівна поверхню озера, притоку річкових і підземних вод з водозбору (поверхневого та підземного) даного озера. Витрачання води відбувається в наслідок випаровування з поверхні озера, руслового і підземного стоку з озера. Величина окремих елементів водного балансу і співвідношення між ними залежать від кліматичних умов, характеру водообміну, розмірів улоговини озера і його водозбірної площі.

Основними джерелами живлення озер є атмосферні опади і приток річкових вод. Частка підземного притоку і конденсації водяної пари незначна. Співвідношення між атмосферними опадами і припливом річкових вод в озерах посушливої зони і зони надмірного зволоження різні. У посушливих областях існування озер залежить від притоку води з водозбору. В той же час у зоні надмірного зволоження існування озера можливе без притоку річкових вод в озеро, бо опади тут перевищують випаровування з водної поверхні.

Співвідношення між елементами витратної частини водного балансу для озер різні і залежать від зони розташування. У зоні надмірного зволоження в стічних озерах стік з озера перевищує випаровування (наприклад, Онезьке озеро). У безстічних озерах зони недостатнього зволоження витрата води з озера відбувається шляхом випаровування (наприклад, Аральське море). Втрати води з озера шляхом фільтрації незначні.

Водний баланс озера за якийсь період часу у загальному вигляді можна охарактеризувати рівнянням

X + Y₁ + U₁ + K = Z + Y₂ + U₂ + q + DhF, (8.5)

де X - опади;

Y₁ - поверхневий стік з площі водозбору озера;

U₁ - приплив підземних вод;

K - конденсація;

Z - випаровування;

Y₂ - русловий стік з озера;

U₂ - фільтрація з озера;

q - використання води з озера на господарські потреби;

DhF - зміна об’єму води в озері (всі елементи в одиницях об’єму).

Для стічних озер наведене вище рівняння зберігається. Якщо для господарських потреб вода з озера не використовується і якщо не брати до уваги величину конденсації, то рівняння прийме наступний вигляд:

X + Y₁ = Z + Y₂ + DhF, (8.6)

де Y₁ - сумарний приплив поверхневих і підземних вод;

Y₂ - русловий і підземний стік з озера.

Для безстічних озер при відсутності фільтрації рівняння водного балансу має наступний вигляд:

X + Y₁ = Z + DhF. (8.7)

Об’єм води в озері, а значить і рівень змінюється залежно від співвідношення прибутку і витрати води. Чим більша різниця між прибутковою і видатковою частинами водного балансу, тим швидше відбуваються коливання рівня і тим більшої амплітуди вони досягають. У стічних озерах амплітуда коливання рівня менша, ніж у безстічних. У безстічних озерах збільшення чи зменшення між прибутком і витратою відбивається лише на зміні рівня, а в стічних озерах — і на зміні стоку води коло витоку річки з озера.

Амплітуда коливання на протязі року в різних озерах неоднакова і змінюється від кількох сантиметрів до 2 — 3 м і більше. Крім кліматичних умов і характеру водообміну, на амплітуду коливань рівнів значний вплив має морфометрія озера, а також співвідношення між площею водозбору F_в і площею дзеркала озера F_оз.

Із збільшенням F_в/F_оз збільшується середня річна амплітуда рівнів. Багаторічна амплітуда коливання рівнів деяких озер значна, наприклад, Ладозького - 2,9 м, Аральського моря - 3,2 м.

РУХ ОЗЕРНОЇ ВОДИ

Поряд з коливанням рівнів води в озерах, зумовлених змінами співвідношення елементів водного балансу, тобто зміною водної маси озера, спостерігаються коливання рівнів, які відбуваються при постійному об’ємі водної маси. Це так звані денівеляції. Вони викликають рух озерної води.

Рух озерної води може бути коливальним (сейші, хвилі) або поступальним (течії, згони, нагони, перемішування). У природі ці два види руху існують одночасно.

Основними факторами, які зумовлюють рух озерної води, є:

1) вітер, який викликає течії, хвилі, згони, нагони, перемішування;

2) різниця густини води в різних шарах, що зумовлює конвекційне перемішування;

3) водотоки, що впадають в озеро або беруть початок з нього;

Менше значення мають різка зміна атмосферного тиску, що викликає сейші, тектонічні рухи (землетруси , виверження вулканів тощо). Ці сили діють нерегулярно.

Хвилювання — один з найбільш поширених видів коливального руху води. На озерах воно виникає під впливом вітру. Форма хвиль неправильна, трьохмірна. Ці хвилі мають висоту, ширину, довжину. Навітряний схил хвилі більш стрімкий, ніж підвітряний. Дуже часто під впливом вітрів різних напрямків хвилі одного напрямку перекриваються хвилями іншого. У зв’язку з малими об’ємами водної маси вітрові хвилі в озерах швидше розвиваються з виникненням вітру і порівняно швидко затухають з його припиненням. Максимальна висота хвилі на великих озерах буває 3 — 4 м, іноді 5 — 6 м, на водосховища 2,5 — 3,5 м, у морях — 9 м, в океанах 18 м.

Глибина поширення хвиль від вітру на озерах обмежується кількома метрами, на найбільших — 20 м. На оз. Байкал хвилі поширюються до глибини 8 — 10 м, на оз. Женевському — до 9 м. Розміри хвиль в озерах, крім дії вітру, значною мірою визначаються конфігурацією і розмірами водойм.

Сейші — це також коливальний рух води. Після припинення дії вітру водна маса озера намагається зайняти горизонтальне положення і внаслідок цього набуває коливального руху. Сейші — це стоячі хвилі. Вони виникають при згонах і нагонах, при різкій зміні атмосферного тиску в окремих частинах озера (зміна тиску на 1 мб викликає зміну рівня на один сантиметр), при сейсмічних рухах. Амплітуда їх змінюється від кількох сантиметрів до метра і більше. На Каспійському і Аральському морях відомі сейші до 1 м; на Байкалі — 5 — 7 см, іноді 14 см, період — близько 5 год.

Під дією вітру виникають і згінно-нагінні коливання рівнів. На озерах вони невеликі, займають обмежені площі і вимірюються сантиметрами. На великих озерах, як Байкал, Онезьке, Аральське море, Каспійське море, коливання рівня при згонах і нагонах досягають кількох десятків сантиметрів, а іноді більше метра (Цимлянське водосховище, Ладозьке озеро, Аральське море - до 2 м). Коливання рівнів посилюються коло пологих берегів, у бухтах, затоках.

Рівні озер під дією припливу і відпливу майже не змінюються. Невелики за розмірами припливи (до 5 см) спостерігаються на оз. Мічіган.

Найбільш поширені течії в озерах такі: стокові, вітрові і компенсаційні.

Стокові течії в озерах виникають в основному під впливом припливу річкових вод в озеро і відпливу озерних вод у річку. В обох випадках утворюється похил водяної поверхні в озері, внаслідок якого і відбувається рух води.

Якщо об’єм води в озері великий порівняно з об’ємом води, яка припливає або відпливає з озера, стокові течії в озері незначні і спостерігаються лише на ділянках, розташованих безпосередньо коло початку або гирла річок. Течії, які виникають у гирлах приток, у міру просування до відкритої частини озера змінюють свій напрямок і поступово затухають. Залежно від співвідношення густини озерної і річкової води течії поширюються або по поверхні озера, або занурюються в глибину.

Якщо об’єм води в озері в межах зливної призми невеликий порівняно з об’ємами води, яку приносять і виносять річки, (що має місце в проточних озерах) - по всій довжині озера виникає течія, подібна течії в річці, але з малими швидкостями (не більше 0,3м/с).

Вітрові течії в озерах відзначаються великою несталістю. Режим їх дуже тісно пов’язаний з режимом переважаючих у даному районі вітрів. Залежно від сили вітру, об’єму водної маси, конфігурації берегів, розмірів озерної улоговини, наявності островів тощо, вітрові течії можуть поширюватися на різні глибини, а іноді (в основному на малих озерах) охоплювати всю водну масу і досягати дна озера.

Якщо напрямок стокових і вітрових течій співпадає, то утворюються тимчасові або постійні течії, які проходять по всьому озері (наприклад, озера Байкал і Балхаш ).

Коло берегів вітрові течії викликають підйоми або зниження рівнів залежно від напрямку вітру по відношенню до берега. При цьому виникає похил рівня озера, що призводить до зміни градієнта гідростатичного тиску на різних його ділянках і до виникнення глибинної компенсаційної течії, яка сприяє збереженню рівноваги води в озері. Одночасно поверхнева вітрова течія сповільнюється. У великих озерах біля довгих прямолінійних берегів компенсаційна течія має напрямок вздовж берегів. У малих озерах, бухтах, звуженнях вона має зворотній напрямок по відношенню до вітрової.

Після виникнення течія не залишається незмінною, а підпадає під вплив другорядних сил: сили тертя — об дно й береги озера, сили Коріоліса, відцентрової сили. Розміри озера, форма улоговини, порізаність берегової лінії також деформують течію, яка утворилася під дією однієї або кількох причин. Тому в кожному озері течії мають специфічні риси, характерні тільки для даної водойми.

ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ ОЗЕР

Температурний режим озерних вод залежить від співвідношення між прибутком та витратою тепла, а також від розподілу цього тепла в озерній воді, що залежить від географічного положення озера, від сезону року, динаміки озерних вод та інших причин. Надходження тепла у водну масу та його витрачання відбувається в основному через відкриту водну поверхню.

Основним джерелом тепла, яке надходить на водну поверхню озера в літній період, є пряма сонячна радіація (90 — 98 %). Зміна кількості прямої сонячної радіації на протязі доби або на протязі сезону визначає зміну температури води в озерах та водосховищах. Інші джерела тепла (конвекція, турбулентний теплообмін з атмосферою, дном та берегами, надходження тепла за рахунок припливу річкових вод ) приносять в озеро лише 2 — 10 % загальної теплової енергії.

Основними втратами тепла з озера є втрати на випаровування, які складають 45 - 75 % загальних втрат. Втрати на випромінювання становлять близько 30 %, а на турбулентний теплообмін — лише 2 — 25 % від загальних втрат тепла.

Внаслідок коливання основних елементів теплового балансу в озері відбуваються періодичні зміни запасів тепла, які викликають нагрівання або охолодження води. Прогрівання озер відбувається з початку весни до липня – серпня, а охолодження з серпня - вересня залежно від об’єму водної маси. Мінімальна температура на протязі року в озерах, які замерзають, спостерігається на початку зими в момент утворення льоду.

У зв’язку з тим, що озерна вода має сповільнений рух, температура по всій товщі водної маси вирівнюється дуже повільно, що викликає шаруватість води з різними температурами. Якщо температура води зменшується від поверхні озера до дна, як це спостерігається влітку, то для озера характерне явище прямої температурної стратифікації. Якщо температура води з глибиною підвищується (від 0⁰С до +4⁰С), як це спостерігається взимку, то в озері встановлюється обернена температурна стратифікація. Це явище характерне для зимового періоду.

Перерозподіл тепла в озері відбувається під впливом перемішування (динамічного і конвекційного), течій і хвилювання. Передача тепла шляхом теплопровідності також відбувається, але дуже повільно і обмежується лише верхнім шаром.

Конвекційне перемішування (вертикальна циркуляція води) зобов’язане різниці густини води на різних глибинах. Воно можливе лише при певному поєднанні температур у поверхневих і глибинних шарах. У прісних озерах нагрівання глибинних шарів внаслідок конвекції відбувається лише тоді, коли початкова температура у водоймі нижча +4°С (температура максимальної густини води). За цих умов поверхневі шари, нагріваються до +4°, і як більш густі, спускаються у глибину, на їх місце піднімаються холодніші частки води. При досягненні температури +4° у всій товщі і подальшому прогріванні водойми з поверхні, тепло зосереджується у верхніх шарах, і конвекція у глибинних шарах припиняється. Отже, конвекційна циркуляція сприяє переносу тепла в озері і вирівнюванню температур при несталій стратифікації.

Динамічне перемішування сприяє передачі тепла в глибину водойми і вирівнюванню температури при будь-якій стратифікації. Найбільш інтенсивне перемішування виникає під впливом вітру, який викликає хвилювання і течію. У мілких озерах вітрове перемішування поширюється до дна. У глибоких озерах перемішуванню глибинних шарів сприяють компенсаційні течії, які виникають при згонах і нагонах.

Поиск по сайту: