Морфология и морфометрия озер

 

В озере выделяются следующие основные морфологические элементы:

• Котловина - это естественное понижение земной поверхности разного генезиса, в пределах которого и расположено озеро;

• Ложе (или чаша) озера – понижение, непосредственно занятое водой.

В котловине по направлению от берега вглубь озера различаются береговая и глубинная (пелагиаль) области.

Береговая область включает три зоны (рис. 15):

♦ Собственно берег – часть суши, окружающая озеро и представленная бровкой и береговым склоном. Граница основания склона проводится по максимальному уровню волно-прибойной деятельности.

Рис. 15. Схема озерной котловины (а) и ее береговой области (б)

1 – котловина; 2 – ложе (чаша); 3 – береговая область: 4 – береговой уступ, 5 – побережье, 6 – береговая отмель, 7 и 8 – абразионная и аккумулятивная части береговой отмели, 9 – подводный откос, 10 и 11 – низший и высший уровни воды, 12 – коренные породы, 13 – начальный профиль берега

 

♦ Побережье – это зона прибойной полосы, включающая сухое, затопляемое и подводное побережье.

♦ Береговая отмель - это подводная терраса, опускающаяся в сторону озерной впадины и состоящая из абразионной и аккумулятивной отмели. Последняя оканчивается бровкой подводного откоса.

Побережье и береговую отмель часто объединяют в одну зону называемую литоралью.

Глубинная область (пелагиаль) занимает глубокую часть озера, недоступную волнению. Донную часть озера называют профундалью.

В пределах ложа озера выделяются такие морфологические элементы, как плесы, заливы, бухты, губы.

К морфометрическим характеристикамозера относятся:

• Площадь водной поверхности (зеркала; F) рассчитывается как средняя многолетняя величина, но может изменяться в зависимости от фазы водности, питающих озеро рек.

• Длина озера, l – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными точками береговой линии, измеренное по поверхности.

• Максимальная ширина озера, B_max – перпендикуляр к длине озера в наиболее широкой его части.

• Средняя ширина, B_cp – частное от деления площади зеркала озера на его длину.

• Максимальная глубина, H_max – определяется по журналу промера глубин.

• Средняя глубина, H_cp – частное от деления объема озера на площадь его зеркала.

• Длина береговой линии, L, измеряется по нулевой изобате.

• Изрезанность береговой линии, k, определяется путем сравнения с длиной окружности круга, равновеликого по площади, согласно формуле:

.

• Объем озера (объем котловины, заполненный водой до определенного уровня) - вычисляется как сумма отдельных слоев котловины, заключенных между горизонтальными плоскостями, проведенными друг от друга на расстоянии h, где h – мощность элементарного слоя (сечение изобат):

,

где F_i, F_i+1 , F_n, F_n+1 – площади, ограниченные изобатами.

• Форма озерной котловины, С – безразмерный показатель, позволяющий определять степень приближения формы озера к геометрическим фигурам (цилиндр С=2; полусфера С=1,78; параболлоид С=1,5; конус С=1,33). Вычисляется по формуле Муравейского С.Д., как отношение средней глубины озера к глубине положения центра тяжести озерных вод.

Связи между отдельными характеристиками определяют кривые площадей, объемов и средних глубин озера. Подробно морфометрические характеристики рассматриваются на лабораторных занятиях.

Водный баланс озер

 

Водный баланс озера – это равновесное состояние между количеством воды, поступающим в озеро (питание), количеством, удаляемым из водоема (расходование) и изменением водной массы озера за некоторый промежуток времени.

В упрощенном виде уравнение водного баланса выглядит следующим образом:

Х + У_рп + У_сбр + Z_конд + W_np = У_pc + У_вдсб + Z_ucn + W_ф ± Δu

Приходная часть:

X - атмосферные осадки;

У_рп - речной приток;

У_сбр - антропогенный приток или сброс сточных вод;

Z_конд - конденсация водяного пара на зеркало озера;

W_np - подземный приток.

Расходная часть:

У_pc - речной сток;

У_вдсб - антропогенный водозабор на орошение, водоснабжение;

Z_иcn - испарение с поверхности озера;

W_ф - подземный отток (фильтрация);

Δu- изменение запасов воды в озере.

Нарушение водного баланса озер за счет изменения показателя Δu ведет к изменению коэффициента озерности, аридизации или гумидизации ландшафтов региона. Среди составляющих приходной и расходной частей уравнения водного баланса всё большую роль приобретает антропогенный фактор.

 

§ 5. Водный режим озера

 

Водным режимом озера называются закономерные изменения уровня воды, площади, объема вод, а также характеристик течений, волнений и перемешиваний в озере.

Главнейшими характеристиками водного режима озера являются колебания уровня воды в озере. Они подразделяются на несколько групп по причинам, вызывающим их.

Вековые и многолетние колебания уровня озер связаны с изменениями составляющих водного баланса озер (притока речных вод, осадков и т.д.) и с изменением объема (массы) воды в озере, обусловленных климатическими причинами. Например, в Евразии установлены вековые колебания уровня озер и повышенная увлажненность территорий с периодом 1850 лет. Общеизвестны вековые и многолетние колебания уровней Каспийского и Аральского морей, связанные с климатическими факторами (колебанием увлажненности регионов). В случае Аральского моря дополнительной причиной ускорения падения уровня моря является антропогенный фактор, а именно, большой забор вод рек Амударьи и Сырдарьи на орошение.

Сезонные колебания уровня озер связаны с изменениями водного баланса, определяемыми внутригодовым режимом. Озера, питающиеся водами с ледников (Телецкое, Иссык-Куль) имеют максимальный уровень во вторую половину лета. Озера северной и средней полосы Европы (Онежское, Плещеево) имеют подъем уровня весной в период снегового половодья на реках. В области муссонного климата повышенные уровни наблюдаются летом и осенью. В условиях засушливого климата (Казахстан и др.) резко выражен ранний весенний подъем уровня озер (до 4 м) и быстрый спад в первую половину лета. В целом амплитуда колебаний уровней озер в течение года различна, меняется от нескольких см до 2-3 м, реже более 7 м.

Сгонно-нагонные колебания уровней зависят от направления и скорости ветра и от колебаний атмосферного давления. Это кратковременные колебания (несколько часов до 2-3 суток) с амплитудами от нескольких дециметров до 1-2 м. Воздействие ветра вызывает повышение уровня воды у наветренного берега, т.е. нагон, а такие понижения уровня у подветренного берега озера, т.е. сгон. Незначительные перекосы уровня (несколько см) вызываются и неравномерным распределением атмосферного давления по типу «обратного барометра». Уровень воды повышается при понижении атмосферного давления.

Основной причиной волнения на озерах является ветер. В связи с небольшими размерами и глубиной водоема волнение на озерах имеет особенности по сравнению с морским. Волнение быстро возникает и быстро затухает. Волны обычно трехмерные (фронта волны нет), более крутые, с меньшей высотой (обычно 0,5 м, реже до 3-6 м). Крутизна - это отношение высоты волны к ее длине. На озерах она равна 0,1.

Сейши - это стоячие свободные волны, возникающие под влиянием изменения атмосферного давления над озером. Эти колебательные движения не имеют поступательного характера и представляют лишь вертикальные колебания, при которых в одном месте происходит подъем, а в другом - опускание уровня воды (рис. 16). Пункты, где колебания максимальны называются пучностями, а линии где нет колебаний - узлами. Различают одноузловые и многоузловые (2, 3 и т.д.) сейши.

 

Рис. 16. Схема изменения уровней воды в озере при одноузловой (А) и двухузловой (Б) сейшах

 

Амплитуда сейш составляет от нескольких см до десятков см, периоды - от 5-10 мин. до нескольких часов (редко суток).

Течения в озерах обусловлены несколькими причинами и поэтому различают разные виды течений.

а) Ветровые течения вызываются ветром, и их скорость (V_в) равна V_в = KW_в, где W_в - скорость ветра (м/с), К - ветровой коэффициент, равный 0,01-0,02. В среднем V_в = 0,5 м/с.

б) Компенсационные течения возникают в результате сгонно-нагонной денивеляции уровня озера, вызываемой ветром. Они развиваются ниже поверхностного слоя и направлены противоположно ветровым течениям.

в) Сейшевые течения возникают после прекращения ветра на многих озерах.

г) Гравитационные (стоковые) течения возникают при перекосе уровня воды от втекающих в озеро рек. Их средняя скорость составляет 1-2 м/с.

д) Плотностные течения возникают вследствиенеравномерного распределения температуры по пространству озера. Термические неоднородности создают горизонтальные градиенты плотности и перекосы уровня. В период нагревания температура воды вблизи берегов выше, чем в середине озера. Это создает горизонтальную циркуляцию против часовой стрелки (под влиянием силы Кориолиса). В период охлаждения проходят обратные явления. Скорости этих течений 0,3-0,5 м/с.

е) Конвективное перемешивание в озерахвызывается также весенним нагреванием или осенним охлаждением.

Термический режим озера

Для озер умеренного климата выделяется две крупные термические фазы: нагревание (весеннее и летнее) и охлаждение (осеннее и зимнее). Весеннее нагревание начинается с появлением положительных температур весной. В это время на поверхности озера лежит лед, а верхние слои воды имеют самую низкую температуру. Такая термическая ситуация получила название обратной стратификации (стратис - слой). Весеннее нагревание длится до тех пор, пока верхние слои воды не прогреются до температуры нижних. Как только температура воды во всем озере выровняется и наступит состояние гомотермии, начинается период летнего нагревания. В это время активный прогрев верхних слоев воды приводит к образованию прямой стратификации, т.е. увеличению температуры воды в озере от дна к поверхности. В этот период наблюдается расслоение озерных водна 3 термические зоны (рис. 17):

Рис. 17. Вертикальные термические зоны в озерах умеренного пояса

1 – изменение температуры по глубине, 2 – изменение градиента температуры по глубине.

 

· Гиполимнион – нижний слой с холодной «весенней» водой;

· Металимнион – слой температурного скачка, где вертикальный градиент температуры может достигать 8-10⁰С на 1 м глубины.

· Эпилимнион – поверхностный, наиболее теплый слой воды.

Осеннее охлаждение начинается с устойчивого снижения среднесуточных температур воздуха ниже температуры поверхностных слоев озера и заканчивается гомотермией вод. Дальнейшее зимнее охлаждение поверхностных вод приводит к активной вертикальной конвекции, когда уплотнившиеся вследствие охлаждения и ставшие более тяжелыми поверхностные воды опускаются на дно и вытесняют на поверхность менее плотные и более легкие донные воды. Таким образом, в озере формируется обратная термическая стратификация.

Термический режим озер обуславливает формирование в них двух областей. В теплоактивной, прибрежной области в связи с меньшими глубинами вода быстро нагревается (выше +4°С) и быстрее охлаждается (ниже +4°С) по сравнению с теплоинертной областью центральной части озера. Между этими областями появляется вертикальный пояс с температурой наибольшей плотности воды +4°С, где плотная вода опускается. Этот пояс носит название «термический бар». Он виден с поверхности в виде узкой светлой полосы весной и осенью. Это своеобразный тепловой и динамический барьер между прибрежными и центральными водами озера. Впервые это явление описано Ф. Форелем в 1901 г. в Женевском озере (Швейцария).

Термическая классификация озер впервые предложена Ф. Форелем, а позднее уточнена многими учеными. Выделены группы озер:

Полярные - с температурой в течение года ниже +4°С и с обратной стратификацией.

Тропические - с температурой выше +4°С и постоянной прямой стратификацией.

Умеренные - с температурой зимой ниже +4°С и весной-летом - выше +4°С и с переменной температурной стратификацией.

По характеру ледовых явлений выделяют четыре группы озер:

- озера, не имеющие ледовых явлений (экваториальные и тропические регионы),

- озера с неустойчивым ледоставом (южные регионы умеренного пояса),

- озера с устойчивым ледоставом зимой (умеренный пояс),

- озера с ледоставом в течение всего года (районы Крайнего Севера).

 

Ледовый режим озер

 

В ледовом режиме озер, как и у рек, выделяются три характерных периода - замерзание, ледостав и вскрытие, во время которых происходят аналогичные речным ледовые явления. В период замерзания образуются забереги (припаи), сало, внутриводный лед, ледяные наплески на пляжах, ледяные валы на отмелях («сокуи» на Байкале высотой до 3 м), ледяная галька в прибойной зоне («колобовники» на Байкале).

Ледостав на больших озерах формируется 2-3 месяца, завершаясь в январе, а на малых озерах - в течение нескольких дней.

Ледяной покров состоит из нескольких видов озерного льда:

- водный (озеровидный) - это прозрачный кристаллический лед,

- водно-снеговой лед - мутный, непрозрачный, беловатый, образующийся при смерзании пропитанного водой снега. Он называется «наслузом».

- снеговой лед, образующийся при подтаивании снега на поверхности с последующим замерзанием.

Толщина льда в Северной Евразии - 0,5-2 м, иногда до 3 м, в южных районах - всего несколько см.

Вскрытие озер в Европе на 7-14 дней позже, чем вскрытие рек.