Полная версия

Главная arrow География arrow ГИДРОЛОГИЯ МАТЕРИКОВ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Азональность структуры водного баланса и водообмена водоемов

Рассмотренные различия в водном балансе природных зон настолько сильно влияют на водный режим и химический состав континентальных водных масс, что все водные объекты суши делят на три географических класса: зональные, полигональные и азональные.

Речная система, озеро или водохранилище зональные (иногда называются интразональными, т.е. внутризональными), если их водосбор целиком расположен в той же природной зоне, что и сам водный объект. Крупнейшие реки и сооруженные в их низовьях водохранилища, а также крупные реки и озера в областях внутреннего стока, как правило, полизональные, потому что их водосборы лежат в двух и более природных зонах. К полигональным относят и сравнительно небольшие водосборы, расположенные в горных районах с четко выраженной высотной поясностью. В их пределах так же, как на равнине, изменяющийся с высотой растительный покров служит индикатором различного соотношения теплоты и влаги, структуры водного баланса водосборов.

К азональным водным объектам относят такие, на водосборах которых имеются специфические условия формирования стока. Их возникновение может быть связано с особенностями состава пород, строения гидрографической сети территории или с ее интенсивным хозяйственным освоением, нарушающими зональные закономерности структуры водного баланса суши.

Водный баланс водоема характеризует интенсивность его внешнего водообмена с окружающей средой. В отличие от структуры водного баланса территорий, осредненный за многолетний период годовой водный баланс подавляющего большинства водоемов состоит не из трех, а из четырех компонентов:

где V, Р — приходные составляющие баланса: V — объем притока воды с водосбора и Р— объем атмосферных осадков, выпадающих на акваторию водоема; Е, Q — расходные составляющие: Е — объем испарившейся с акватории воды и Q— объем ее стока из водоема.

В четырехкомпонентном водном балансе (2.3) безразмерными показателями структуры считают долю осадков в приходной части и долю испарения в расходной части:

Для того чтобы установить географические факторы, определяющие структуру водного баланса зонального проточного водоема, запишем У=уА (у годовой слой водного стока с водосбора этого водоема, А — площадь водосбора). Разделим числитель и знаменатель в равенствах (2.4) на количество осадков, представленное в виде xF — их средний годовой слой на водоеме площадью F), предварительно заменив во втором выражении сумму (Е+ Q) на равную ей сумму (V+ Р). Такое преобразование допустимо для водоемов зонального класса, если принять в пределах природной зоны равенство годового слоя осадков, выпадающих на поверхность как водоема, так и его водосбора. В результате получаем:

где у/х коэффициент стока ц; Е/Р= Е0/Р — индекс сухости е, так как величина испарения Е с водоема практически равна испаряемости ?0; A/F— гидрографическая характеристика ср, называемая удельным водосбором. Заменив этими безразмерными коэффициентами соответствующие величины в уравнениях (2.5), получаем:

Из выражений (2.6) следует, что от одной природной зоны к другой доля осадков и доля испарения воды в структуре водного баланса гидрографически сходных водоемов (с одинаковым удельным водосбором) гиперболически снижается по мере роста зональных величин коэффициента стока. И в гумидных зонах вклад обеих составляющих вертикального водообмена водоема суши с атмосферой в его водный баланс второстепенен. В расходной части баланса эта тенденция усиливается пропорциональностью доли испарения индексу сухости, закономерно уменьшающемуся от зоны к зоне с увеличением их увлажненности. Таким образом, гидроклиматические особенности природных зон несомненно влияют на структуру водного баланса гидрографически подобных водоемов, расположенных в их пределах.

Показателем гидрографического подобия систем «водосбор —водоем» служит одинаковое значение удельного водосбора ф. В структуре приходной и расходной частей водного баланса водоема суши значение удельного водосбора многократно выше, чем обоих гидроклиматических показателей. Это объясняется тем, что межзональная изменчивость значений т| и ? — не более 20—30-кратной, тогда как диапазон значений <р у озер и водохранилищ на несколько порядков больше. Например, у озера Самотлор в Сургутском Полесье ср = 0,13 или у озера Верхнее, крупнейшего среди Великих озер в Северной Америке, <р= 1,52, а у карельского озера Кюленъярви <р> 13 000 или у Святогорского водохранилища на р. Вуоксе <р= 19400. Столь большие различия удельного водосбора зависят, в первую очередь, от местоположения озерной котловины или плотины водохранилища в речной системе, размера и формы их чаши или ложа, являющимися сугубо азональными элементами рельефа. Поэтому структура водного баланса даже зональных водоемов суши азональна.

Номограмма для определения структуры среднего за многолетний

Рис. 2.2. Номограмма для определения структуры среднего за многолетний

Ч — зональные величины индекса 1 — доля осадков рР, %, в приходной части; 2 — доля испарения рЕ, %, в расход-

графические пояса и

Эту важнейшую географическую и экологическую особенность зональных водоемов демонстрирует номограмма (рис. 2.2), построенная по уравнениям (2.6).

На диаграмме видно, что гидрографически подобные водоемы с одинаковым значением удельного водосбора (на рис. 2.2 шкала для ф логарифмическая), расположенные, например, в тундровой зоне и в зоне влажных экваториальных лесов, имеют практически одинаковую структуру и приходной, и расходной частей водного баланса. Или представим водоемы с ф = 300, один из которых расположен в зоне тропической саванны, а другой — в зоне смешанных лесов умеренного пояса. В их водном балансе осадки и испарение составляют одну и ту же долю — 1 — 2 %. И в то же время внутри одной и той же природной зоны водоемы с разными

период годового водного баланса зональных озер и водохранилищ (с и сухости и коэффициента стока):

ной части баланса (в скобках — номера природных зон в легенде карты «Геозоны суши Земли*) [20] значениями показателя гидрографической структуры озерно-речного бассейна <р имеют существенно различное соотношение компонентов водного баланса.

Если рассматривается структура водного баланса полизональ- ного водоема, в знаменателе уравнений (2.6) произведение гцр корректируется множителем равным х/х0, учитывающим неравенство годовых слоев осадков, выпадающих на водоем (х0) и на его водосбор (х), расположенный в нескольких, по-разному увлажненных природных зонах или высотных поясах.

Интенсивность внутреннего водообмена каждого континентального водоема определяется соотношением величин приходных компонент водного баланса и объема аккумулируемой им воды. Для интегральной оценки годового внутреннего водообмена, осред- ненного за многолетний период, обычно используют коэффициент водообмена Къ. Для большинства расположенных в гумидных зонах озер с рРи рЕ< 10—15 % и для всех водохранилищ мира KR рассчитывают с учетом лишь горизонтальной составляющей внешнего водообмена, зависящей от притока воды с водосбора. При этом пренебрегают вкладом вертикального водообмена водоема с атмосферой ввиду малой доли осадков и испарения в водном балансе, а среднегодовой уровень воды в водоеме принимают неизменным. При этих допущениях

где V— объем притока воды в водоем, км3/год; W— объем воды в нем, км3.

Обе эти величины представлены средними годовыми значениями, поэтому Кв имеет единицу измерения год-1. При V< ^величина Кв показывает, какая часть объема воды в водоеме сменяется за год. При V> W она указывает, сколько раз в течение года в нем происходит смена воды.

Физическая сущность коэффициента водообмена состоит в том, что внутренний водообмен водоема или любого другого водного объекта при оценке его интенсивности по формуле (2.7) представляется как процесс замещения находящихся в нем водных масс другими, питающими его и нс смешивающимися с вытесняемыми из него водными массами. При пренебрежимо малом смешении новых водных масс со старыми среднее время пребывания их в водном объекте

Это второй показатель интенсивности внутреннего водообмена водного объекта, который называют также периодом водообмена. Он уже упоминался ранее при оценке водообмена в атмосфере, Мировом океане и других объектах гидросферы. Имеется и третий показатель интенсивности этого процесса — коэффициент проточности КП) характеризующий среднюю скорость перемещения вдоль продольной оси водного объекта границы практически не смешивающихся между собой новых и старых водных масс, км/сут:

где L — длина водоема, км; 365 — число суток в году.

Таким образом, все три интегральные показателя интенсивности внутреннего водообмена, зависящей от очень сложного сочетания разнообразных течений, волновых и конвективных процессов перемешивания, характеризуют только горизонтальную составляющую водообмена водного объекта. Поскольку при вычислении их значений игнорируются и водообмен с атмосферой и смешение водных масс, наиболее корректно по ним оценивается водообмен в ледниках и подземных водоносных горизонтах, в речных руслах они несколько занижают среднее время пребывания каждой водной массы. Еще больше это занижение в проточных водоемах. Но в очень слабо проточных и бессточных озерах замедление реального водообмена вследствие процессов смешения водных масс компенсируется увеличивающимся вкладом в структуру внешнего водообмена таких озер вертикальной его составляющей. Она называется видимым испарением, равным разности Е- Р.

Взаимосвязь между структурой водного баланса водных объектов мира, интенсивностью их внутреннего водообмена и преобладающими в их гидрологической структуре типами водных масс показана в табл. 2.3.

Интенсивность внутреннего водообмена водоемов суши зависит от нескольких географических факторов, что видно при подстановке в уравнение (2.7), по аналогии с преобразованием уравнения (2.4), следующих равенств: V-yA и W=HC?F, где Яср — средняя глубина водоема с площадью акватории F:

Таким образом, интенсивность водообмена в водоеме тем больше, чем больше средний слой стока с водосбора (распределение величины у подчиняется закону географической зональности суши), чем мелководнее водоем и больше у него удельный водосбор. Последние два фактора в (2.9) азональны, так как зависят от рельефа земной поверхности. Их диапазон возможных значений для водоемов суши многократно превышает межширотную изменчивость показателя стока. Поэтому интенсивность внутреннего водообмена водоемов суши азональна в еще большей степени, чем интенсивность и структура их внешнего водообмена.

Таблица 2.3

Гидрологическая классификация водных объектов (по Б. Б. Богословскому, 1973)

Группа

Под-

Водный объект

Структура водного баланса

Водообмен

Водные

группа

приход, %

расход, %

к*

I

Транзитная

Реки

Проточные водоемы:

8

и

(2=100

> 100

Часы —сутки

РВМ, ТВМ

Транзитно-

аккумуля-

I

озера и водохранилища суточного регулирования

У >90

Q >90

100-25

Сутки, недели

ТВМ, РВМ

тивная

II

озера и водохранилища недельного регулирования

Сточные водоемы:

У >90

Q> 90

25-4

Недели — сезон

ТВМ, РВМ, ОВМ

Аккумулятивно-тран-

I

озера и водохранилища сезонного регулирования

Г> 80

Q >80

4-2

Сезоны

ОВМ,

ТВМ, РВМ

зитная

II

озера и водохранилища многолетнего регулирования

V >75

Q >75

2-0,1

Годы

ОВМ, ТВМ

III

озера с очень слабым водообменом

Бессточные водоемы:

У >75

Q >75

<0,1

Десятилетия

ОВМ, ТВМ

Аккумуля-

I

пересыхающие озера

У г 50

о

о

II

1-0,1

Многоводный период

ОВМ, ТВМ

тивная

II

непересыхающие озера

У >50

Е= 100

<0,1

Десятилетия

ОВМ, ТВМ

III

Мировой океан

Р> 90

Е= 100

Около 3-10^

Около Зтыс. лет

МВМ, ТВМ

Примечание. Типы водных масс: РВМ — речные, ТВМ — трансформированные, ОВМ — основные озерные, МВМ — морские.

Чем меньше <р и значительнее доля осадков и испарения в структуре водного баланса водоема, тем меньше коэффициент водообмена и больше роль тепловлагообмена водоема с атмосферой. Слабое динамическое перемешивание воды в нем медленным стоковым течением, с одной стороны, и интенсивный прогрев поверхностного слоя воды, с другой, приводит к стратификации, т.е. расслоению водной толщи на эпилимнион (поверхностный периодически перемешивающийся слой) и на гиполимнион (глубинный слой, менее прогретый и менее насыщенный кислородом в большинстве водоемов суши). Стратификация способствует разнонаправленной трансформации в этих слоях химического состава водной массы водоема под воздействием жизнедеятельности фито-, зоо- и бактериопланктона, а в бессточных озерах еще и садке солей. Поэтому вследствие присущих каждому континентальному водоему особенностей внешнего и внутреннего водообмена экологическое состояние озера или водохранилища зависит от зональных (определяющих тепловой баланс) и азональных (определяющих водный баланс) географических факторов.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>