Лекции по гидрологии

После этого  наступает период зимнего охлаждения. При уменьшении температуры в поверхностном слое ниже 4°С конвективное перемешивание прекращается, но под влиянием динамического перемешивания температура нижних слоев обычно опускается несколько ниже 4°С. Ветровое перемешивание прекращается с началом ледостава.

В других климатических  поясах наблюдается иной температурный  режим озер. В соответствии с температурным режимом выделяют три типа озер: 1) полярные (холодные) - температура не поднимается выше 4°С, прямой температурной стратификации не возникает; 2) тропические (теплые) - температура не опускается ниже 4°С, обратной температурной стратификации не возникает; 3) умеренного климата - наблюдаются периоды как с прямой, так и с обратной стратификацией.

Большинство ледовых явлений, свойственные рекам, наблюдаются и на озерах, но ледостав на них из-за волнения и большего запаса тепла наступает позже, вскрытие также позже из-за отсутствия динамического воздействия потока на лед. Движение льдин во время ледохода происходит в основном под влиянием ветра.

 

Гидрохимический режим озер.

 

Озерам свойственны  все типы природных вод по солености - от пресных до рассолов. В озерах зоны избыточного и достаточного увлажнения преобладают ионы НСО₃^- и Сa²⁺ . В засушливых районах распространены сульфатные и хлоридные озера с повышенной соленостью, реже встречаются содовые озера.

Сульфатные  озера - наиболее распространенный тип соляных озер. Преобладающий анион – SO₄^2-, среди катионов - Na⁺и Mg²⁺. Вода отличается горько-соленым вкусом.

В хлоридных озерах преобладают ионы Cl^-, Na⁺ и Mg²⁺. К этому типу относится Мертвое море в Израиле, оз. Баскунчак на Прикаспийской низменности. Их соленость достигает 200-3 00‰.

Для содовых  озер характерно наличие соды (NaHCO₃, Na₂CO₃), отсутствующей в остальных типах озер. Такие озера имеются на юге Западной и Восточной Сибири, в Казахстане.

В высокосоленых  озерах содержание солей может превысить  насыщающую концентрацию. Тогда происходит их осаждение. Такие озера называют самосадочные.

В озерной  воде в меньших количествах содержатся разнообразные вещества, а также газы. Для существования живых организмов особенно важен режим содержания кислорода. Обогащение всей толщи воды кислородом происходит во время итенсивного вертикального конвективного и динамического перемешивания, обычно в периоды весенней и осенней гомотермии. Летом в результате фотосинтеза, в основном благодаря фитопланктону верхние слои озера пересыщаются кислородом. В нижних слоях из-за отсутствия света фотосинтез не происходит, из верхних слоев кислород не поступает вследствие очень слабого перемешивания. В то же время здесь он расходуется на окисление органических отложений и дыхание животных организмов, которые в наибольшем количестве обитают в придонном слое. В результате в нижнем слое создается дефицит O₂. Еще больший его дефицит наблюдается при ледоставе, который препятствует поступлению O₂ из атмосферы. В верхнем слое 02 расходуется значительно меньше, чем в придонном, поэтому в большинстве озер его содержание достаточно для нормального существования рыб. При большом содержании органики в воде острый дефицит O₂ может охватить всю ее толщу. В некоторых случаях из-за недостатка O₂ в озерной воде появляется сероводород, что особенно неблагоприятно сказывается на ихтиофауне.

 

Гидробиологические характеристики озер.

 

Растительные  организмы создают органическое вещество, животные организмы питаются готовым органическим веществом.

По способности  перемещения и зонам распространения  среди живые организмы делятся  на следующие виды:

1) планктон - растительные и животные организмы, неспособные к активному перемещению;

2) нектон — животные организмы, активно перемещающиеся по всей толще воды;

3) бентос - водные (животные и растительные) организмы, обитающие на дне и в донных отложениях;

4) перефитон - водные организмы, покрывающие камни, сваи, бетонные сооружения и т.п.

 

Типы  озер по условиям питания водных организмов:

1. Олиготрофные - с малым количеством питательных веществ и малой продукцией органического вещества; обычно глубокие, холодные, прозрачные, со значительным содержанием 02 по всей глубине (Байкал, Телецкое, Иссык-Куль).

2. Мезотрофные - занимающие промежуточное положение между олиготрофными и евтрофными озерами.

3. Евтрофные — с большим поступлением питательных веществ, интенсивным развитием растительных организмов, обуславливающих пересыщение кислородом поверхностного слоя в вегетационный период, а при их отмирании и разложении - его дефицит, чаще всего в гиполимнионе.

4. Дистрофные - с черезмерным количеством органического вещества, продукты неполного разложения которого становятся вредными для жизнедеятельности водных организмов.

 

Процесс евтрофирования озер - повышение их биологической продуктивности в результате накопления биогенных элементов.

Наносы  и донные отложения в озерах.

Наносы поступают  в озеро с речным стоком, в результате разрушения берегов, отмирания живых организмов, эолового приноса. В проточных озерах часть наносов уходит с речным стоком, остальная часть осаждается, образуя донные отложения. Характеристикой содержания взвешенных наносов служит мутность (в г/м³), а также прозрачность - глубина исчезновения из поля зрения стандартного белого диска (диска Секки). В олиготрофных озерах она достигает десятков метров, а в мелководных озерах с илистыми грунтами, взмучиваемыми при волнении, иногда уменьшается до 10 см.

Донные отложения  по происхождению слагающих их частиц делятся на терри-генные, поступающие с водосбора и берегов озера; биогенные и хемогенные, образующиеся в результате биологических и химических процессов.

По составу  донные отложения делятся на минеральные (песок, соли), сапропели (органические илы), торфянистые.

На литорали отлагаются в основном крупные минеральные  частицы. По направлению к глубоким частям озера крупность частиц уменьшается, а в составе увеличивается  доля органических веществ.

 

VI. ГИДРОЛОГИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ.

Назначение  водохранилищ

Водохранилище - искусственный водоем, созданный для накопления и последующего использования воды и регулирования стока. Небольшие водохранилища площадью < 1км² называют прудами.

Комплекс гидротехнических сооружений при водохранилище - плотина, ГЭС, шлюзы, водосбросы - образуют гидроузел.

Виды использования водохранилищ:

1) водоснабжение - регулирование  стока;

2) энергетика - регулирование  стока и создание перепада  уровня воды;

3) орошение - регулирование  стока и повышение уровня воды  для ее отведения по самотечным каналам;

4) судоходство - обеспечение  необходимых глубин в пределах  водохранилища путем создания  подпора на реке, а ниже водохранилища  путем попусков из него накопленной воды;

5) рыбное хозяйство  — создание водоемов с благоприятными  условиями для развития рыб;

6) рекреация - создание  водоемов для купания, отдыха, водных видов спорта.

Классификация водохранилищ. Их морфометрические характеристики.

Типы водохранилищ.

1) по морфологии ложа: долинные, ложем которых служит часть речной долины (русло, пойма, участки надпойменных террас); котловинные, занимающие части озерных котловин (вместе с озером), изолированные понижения рельефа, искусственные выемки,

2) по способу наполнения  водой: запрудные, которые создаются путем перегораживания русла (части долины) реки и заполняются ее водами; наливные, которые создаются путем обвалования участка земли или выкапывания углублений с наполнением водой из рядом расположенного водотока или водоема;

3) по высоте напора (разнице уровней воды непосредственно выше и ниже плотины) Н_пл- высоконапорное (Н_пл > 100 м), средние - (Н_пл от 10 до 100 м), низконапорные (Н_пл < 10 м);

4) по степени регулирования  речного стока - многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования.

Основные морфометрические характеристики водохранилища такие же, как у озер - объем, площадь, длина, максимальная и средняя глубина и ширина, площадь водосбора (бассейна). Специфическим является выделение технических уровней водохранилища и соответствующих объемов:

Нормальный  подпорный уровень (НПУ) - наибольший уровень водохранилища, безопасный при длительном его стоянии для существования гидроузла.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) - уровень допустимого превышения НПУ (обычно на 0,5-1 м) в течение короткого времени.

Уровень мертвого объема (УМО) - наинизший уровень, предусмотренный проектом.

Объем воды между НПО  и УМО - полезный объем водохранилища (V_плз), а ниже УМО - мертвый объем (V_мерт). Полный объем водохранилища V_вдхр = V_плз + V_мерт.

Верхней (по течению реки) границей водохранилища является место, где на естественное течение реки начинает сказываться влияние подпора от плотины при НПУ. При сработке (снижении) уровня водохранилища до УМО граница влияния подпора смещается вниз по течению реки. Участок между этими границами называется зоной переменного подпора.

Всю акваторию водохранилища  называют верхним бьефом плотины, а участок реки ниже плотины, где заметно сказывается его влияние на температурный режим и русловые процессы в реке, называют нижним бьефом плотины.

Крупнейшие (по объему) водохранилища мира:

Водохра- нилища	Страна	Река	Объем, км3		Площадь, тыс., км2	Напор, м	Год заполнения
			полный	полезный
Виктория	Уганда, Танзания, Кения	Виктория-Нил	205	68,0	7000	31	1954
Братское	Россия	Ангара	169	48,2	5470	106	1967
Кариба	Замбия, Зимбабве	Замбези	160	46	4450	100	1963
Насер	Египет, Судан	Нил	157	74	5120	95	1970
Вольта	Гана	Вольта	148	90	8480	70	1967

 

Водохранилище Виктория котловинное. Оно включает в себя оз. Виктория, уровень которого повысился в результате создания плотины. Указанные объем и площадь водохранилища не учитывают естественные объем и площадь озера. Все остальные водохранилища, приведенные в таблице, долинные. Самое большое водохранилище в Европе - Куйбышевское на р.Волге (V = 58 км², S = 5900 км²). Все перечисленные водохранилища предназначены для многолетнего регулирования стока.

Особенности водного баланса и режима водохранилищ.

Уравнение водного баланса  водохранилища имеет такой же вид, как для озера. Сток воды из водохранилища, или сброс воды, в отличие от озера, управляемый. Он осуществляется через турбины ГЭС и через специальные водосбросные сооружения ("холостой сброс").

Особенность водного  баланса водохранилищ - значительное преобладание над остальными составляющими  притока в приходной части  и стока - в расходной. Коэффициенты водообмена (К_е) и проточности (К„) обычно больше, чем для озер.

Выделяют периоды наполнения водохранилищ (повышения уровня воды) и сра-ботки его (понижение уровня). Наполнение водохранилища сезонного регулирования происходит в многоводные фазы водного режима реки (в средней полосе обычно во время половодья), сработка - в периоды межени. Периоды наполнения в большинстве случаев намного короче, чем периоды сработки. Амплитуда колебаний уровня в водохранилищах, как правило, больше, чем в озерах, а по сравнению с рекой она может быть как больше (при большой разнице между НПУ и УМО для водохранилищ с высокими плотинами), так и меньше.

На водохранилищах с  большим коэффициентом проточности  хорошо выражены сточные течения  в периоды интенсивного сброса воды из них.

Заиление  водохранилищ и переформирования их берегов

Заиление водохранилищ - отложение в них наносов. Время (количество лет) полного заиления водохранилища t_заил = V_вдхр/V_н(1-δ). Здесь V_вдхр - объем водохранили-ща в м³, V_н - годовой объем речных наносов (взвешенных и влекомых) в м³, δ - доля стока речных наносов, проходящая транзитом через водохранилище; V_н = W_н/ρ_omл, где W_н - масса наносов в кг, ρ_omл - плотность донных отложений (кг / м³). Величина 5 увеличивается по мере заполнения водохранилища. При полном его заилении δ =1. Малые водохранилища на реках с большей мутностью (например, в Дагестане) могут быть заполнены наносами в течение нескольких лет. t_заил крупных водохранилищ, созданных на реках с небольшим количеством наносов, измеряется столетиями.