Влияние режима поступления биогенных элементов на функционирование экосистемы проточного водоема

Тип:
Добавлен:

Содержание

Введение

Глава 1. Структурно-функциональная схема водной экосистемы

Глава 2. Эвтрофирование водных экосистем

2.1 Основные источники поступления биогенных элементов в водные экологические системы

Глава 3. Краткий обзор основных понятий лимнологии, использованных в работе

.1 Морфология озёрных котловин

.2 Морфометрия озёр

.3 Площадь, средняя и максимальная глубина

.4 Определение водного баланса. Классификация озёр по водному балансу

.5 Удельный водосбор и показатель условного водообмена

Глава 4. Уровенный режим озёр Северо-Запада России

Глава 5. Имитационное моделирование водных экосистем

.1 Основные этапы имитационного моделирования водной экосистемы

.2 Описание имитационной модели экосистемы проточного водоема

Глава 6. Параметры моделируемого водоема

.1 Исходные данные для численных экспериментов с моделью

.2 Абиотические компоненты. Биотические компоненты

.3 Результаты численных экспериментов

Заключение

Литература

Введение

Антропогенное загрязнение и эвтрофирование водных экосистем являются глобальными проблемами. Особенно остро стоит проблема снижения качества и без того ограниченного запаса пресных вод. Эти проблемы вызвали проведение широкого круга исследований в области компьютерного математического моделирования водных экосистем.

Особенность Северо-запада России заключается в обилии экосистем проточных водоёмов. Их функционирование в значительной мере определяется наложением антропогенного и естественного поступления биогенных элементов с водосборных бассейнов. Поэтому для определения экологически обоснованных норм антропогенного поступления биогенных элементов в экосистему водоёма необходимо выявить особенности естественной внутригодовой динамики содержания биогенных элементов в речном стоке.

Морфометрические показатели системы «водосбор-водоём», т.е. площадь водосбора, объём водоёма, коэффициент удельного водосбора, показатель формы котловины и коэффициент условного водообмена влияют на особенности функционирования экосистемы водоёма, поэтому данные параметры следует учитывать при разработке экологически обоснованных норм антропогенного воздействия. Для этого необходимо применение компьютерного моделирования, в частности, имитационного моделирования.

Систематические исследования по математическому моделированию водных экосистем были начаты в Санкт-Петербургском университете в 1968-1970-х годах на кафедре океанологии географического факультета. С начала 1970-х годов коллектив учёных под руководством Ю.Н. Сергеева при участии В.В. Дмитриева, В.П. Кулеша разработали модели экосистем Северного моря, Невской губы, Финского залива, Балтийского моря. В 1994 году В.Ю. Третьяковым была создана имитационная модель функционирования водно-пойменной экосистемы озера Ильмень. Блок проточности этой модели применим только для озера Ильмень.

В.Ю. Третьяковым в конце 1990-х - начале 2000-х годов на базе этой модели была создана двухрезервуарная модель экосистемы проточного водоема, предназначенная для имитации воздействия токсических веществ на функционирование водной экосистемы. При этом модель универсальна и может применяться к различным водоёмам, поскольку внутригодовые динамики объема и других параметров водоёма являются внешними факторами, записанными в отдельных файлах.

В модели изменение объёма и других параметров водоёма происходит в зависимости от формализованной взаимосвязи между нормированным расходом вытекающей из водоёма реки и отклонением уровня водоёма от среднего значения. В связи с этим необходимо определить характерные для проточных водоёмов бассейна Финского залива регрессионные зависимости между нормированным расходом вытекающей из водоёма реки и отклонением уровня водоёма от его среднего значения.

Актуальность данной работы определяется тем, что применение имитационного моделирования является одной из необходимых частей экологических исследований, помогающих решать вопросы рационального природопользования и сохранять естественное функционирование экосистем. Лишь на основе полученных сведений о процессах и принципах функционирования природного объекта возможно прогнозирование его состояния в дальнейшем. Только опираясь на данную информацию, возможно грамотное управление природными ресурсами и осуществление рационального природопользования.

Объектом исследования послужила экосистема абстрактного проточного водоема с параметрами, характерными для Северо-Запада России.

Предметом исследования данной работы является изучение влияния режима поступления биогенных элементов на особенности функционирования экосистемы проточного водоема.

Цель данной работы: исследование возможностей компьютерной модели «Экотокс» (автор - В.Ю. Третьяков) для изучения влияния режима поступления биогенных элементов на особенности функционирования экосистемы проточного водоема. Параметры водоёма и значения внешних экологических факторов заданы на основании характеристик, наблюдающихся в Северо-Западном регионе России.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

. Изучена литература по гидрологии и морфометрии озер Северо-Запада России.

. Изучена литература по режиму речного стока Северо-Запада России.

. Изучена литература по имитационному моделированию функционирования водных экосистем.

. Изучена литература по статистической обработке данных мониторинга.

. Выполнена статистическая обработка данных о содержании биогенных элементов в речном стоке.

. Выполнен ряд модельных экспериментов.

. Произведён анализ полученных результатов моделирования.

Глава 1. Структурно-функциональная схема водной экосистемы

Экологической системой называют неразрывное единство двух подсистем - биоценоза и биотопа, взаимодействующих между собой таким образом, что поток энергии создает вполне определенную трофическую структуру и видовое разнообразие живых организмов, а также определенный поток вещества и информации между биотическими и абиотическими составляющими системы [1].

Водные экосистемы и экосистемы суши имеют ряд характерных отличий. Основными особенностями водных экосистем являются:

. Трехмерная пространственная структура экосистемы, обусловливающая необходимость изучения ее в четырёхмерной системе отсчета (х, у, z, t). Экосистемы суши, за исключением почвенных, обычно рассматриваются как «плоские» трехмерные системы.

. Среда обитания водных организмов непрерывна и относительно однородна по своим физико-химическим характеристикам, что позволяет использовать для её изучения математический аппарат теории сплошной среды. Экосистемы суши отличаются мозаичностью структуры.

. Из-за большей подвижности водной среды экосистемы водоёмов отличаются высокой мобильностью. Экосистемы суши мало мобильны и обычно рассматриваются как «прикрепленные системы».

. В водной толще выделяются две качественно различные зоны регенерации биогенных веществ. В зоне прямой регенерации продукционные и деструкционные процессы протекают одновременно, а в зоне непрямой регенерации преобладают деструкционные процессы. В экосистемах суши регенерация биогенных веществ происходит в основном в почвенном слое.

. Размеры подавляющего большинства водных организмов очень малы. Известно, что скорость удельного экологического метаболизма возрастает с уменьшением массы организмов. Поэтому процессы экологического метаболизма в водных экосистемах протекают во много раз быстрее, чем на суше. При малой биомассе водные биоценозы имеют очень высокую продукцию.

. Вертикальное и горизонтальное распределение водных организмов неоднородно. Зоны повышенной биомассы и продукции обычно располагаются вблизи границы раздела сред [14].

Экосистема состоит из отдельных компонентов. Компонентом системы называется ее наименьшая структура, ещё обладающая чертами, выражающими главное качество системы [21]. В исследованиях экосистем различают компоненты биоценоза и биотопа, энергетические и вещественные компоненты.

Компоненты экосистемы обмениваются между собой энергией, веществом и информацией. Поэтому компонент ci - это всегда переменная величина, являющаяся функцией других компонентов, внешних воздействий qi, координат x,y,z и времени t: ci = fi (c1, c2,…, ck; q1,q2,…,qj; x,y,z,t); (i = 1,2,…n); (j = 1,2,…,m).

Внешними воздействиями считаются заданными функциями координат и времени: qj = Ψj(x,y,z,t) (j = 1,2,…, m).

В экологии часто используется понятие фактора. Экологическим фактором называется любой неделимый элемент природной среды, который может оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы. Понятие фактора эквивалентно понятию «внешнее воздействие». Оно вводится для сокращения размерности изучаемой системы. Для этого некоторая внутрисистемная единица (компонент) искусственно переводится в ранг фактора - заданной функции координат и времени. По аналогии с понятием «обобщенного компонента» вводится, когда это необходимо, понятие «обобщенного экологического фактора».

Схематизируя реальную действительность, можно указать пять групп процессов, определяющих функционирование морской экосистемы: [13].

. Процессы экологического метаболизма (транслокационные процессы). Данные процессы определяют биохимические превращения энергий и вещества в ходе обмена между компонентами биоценоза и биотопа. Главнейшими из них являются:

первичный биосинтез водорослей (фотосинтез + минеральное питание);

ассимиляция пищи консументами различных трофических уровней (фитофагами, зоофагами I, II и т.д. уровней, всеядными консументами);

бактериальная продукция;

траты организмов на дыхание;

отбрасывание пищи при питании консументов;

экскреция консументами переработанных остатков пиши и внеклеточные выделения водорослей;

естественная смертность организмов;

бактериальное разложение органического вещества (внеклеточный бактериальный гидролиз);

минерализация органического вещества;

продуцирование и потребление кислорода и двуокиси углерода в процессах фотосинтеза, дыхания, бактериального окисления и т.д.

Потоки вещества между компонентами экосистемы, образующиеся в процессах экологического метаболизма, называют переменными состояния экосистемы.

. Динамические процессы. Они определяют механическое перемещение взвешенных и растворённых компонентов экосистемы по акватории водоёма. Эти процессы создают транзитные зоны, зоны замкнутых круговоротов воды - застойные зоны, зоны с повышенными градиентами характеристик - фронтальные зоны, зоны подъема глубинных вод к поверхности - апвелинги и зоны опускания поверхностных вод на глубину - даунвелинги. К динамическим процессам относятся:

ветровая, бароградиентная, стоковая, плотностная и приливная циркуляция вод;

горизонтальное и вертикальное перемешивание, обусловленные сдвиговой и волновой турбулентностью;

плотностная конвекция вод;

. Физические процессы. Они оказывают стимулирующее или угнетающее влияние на продукционные и деструкционные процессы в системе. Главнейшими из них являются:

световой режим водоёма;

тепловой, солевой и плотностной режимы вод;

ледовый режим.

Физические и динамические процессы тесно связаны между собой и образуют единую термогидродинамическую систему водоема.

. Процессы обмена веществом и энергией через границы бассейна. К ним относятся:

обмен количеством движения между атмосферой и водой;

обмен радиационными потоками (прямая и рассеянная солнечная радиация, альбедо водной поверхности, длинноволновое излучение воды и встречное длинноволновое излучение атмосферы);

турбулентный теплообмен на границе вода-воздух;

затраты тепла на фазовые превращения вода-пар, вода-лёд;

газо- и водообмен через поверхность водоёма;

обмен взвешенными и растворенными компонентами через границу вода-дно с донной экосистемой;

поступление взвешенных и растворённых компонентов с речным, поверхностным и фунтовым стоками;

обмен компонентами биоценоза и биотопа через «жидкие границы» с прилегающими бассейнами.

. Антропогенные нагрузки на экосистему. Главнейшими из них являются:

поступление загрязняющих веществ с речным и береговым стоками в результате плановых и аварийных выбросов промышленных и сельскохозяйственных предприятий;

поступление загрязняющих веществ с атмосферными осадками и в результате осаждения взвешенных в воздухе аэрозолей;

адвективный перенос загрязняющих примесей из прилегающих водных объектов;

бесконтрольный или аварийный сброс загрязнителей (главным образом нефтепродуктов) с судов;

вылов промысловых объектов биоценоза.

Экологическая система водоема включает в себя две основные подсистемы: водную и донную, принципиально отличные друг от друга по жизненным формам обитающих в них организмов, а также по пространственной структуре и физико-химическим свойствам среды обитания. Интегрирующими механизмами, которые объединяют эти подсистемы в единую систему являются: потоки энергии, круговороты вещества, физико-динамические процессы, происходящие вблизи границы раздела сред «вода-дно» (гравитационное осаждение и взмучивание донных осадков) и временно-планктические организмы, которые начальный период своей жизни проводят в водной толще, а затем живут на дне.

Водные экологические системы также неоднородны. По жизненным формам обитающих в них организмов и степени воздействия антропогенных факторов они подразделяются на несколько зон [9]. В экосистемах внутренних морей выделяют пелагиаль (зону открытого моря), фиталь (прибрежную зону) и нейсталь (тонкий поверхностный слой воды). В морях со значительными приливными колебаниями уровня воды, кроме того, выделяется литоральная зона (приливно-отливная зона между отметками высокой и низкой воды).

В пресноводных экосистемах выделяют: литоральную зону (мелководный участок, в котором свет проникает до дна), лимническую зону (толщу воды до глубины компенсационного горизонта, где процессы фотосинтеза уравновешивают процессы Дыхания) и профундальную зону (толщу воды и дно, куда не проникает солнечный свет). Эти зоны не имеют четких границ и представляют собой экотопы водной экологической системы.

Для всех перечисленных зон, кроме морской литорали, характерными жизненными формами являются планктонные и нектонные организмы. В фитали кроме них обитают макрофиты и перефитон, а в нейстали - нейстон. Основными агентами круговорота вещества в водной экосистеме являются микроскопические организмы: фито-, зоо- и бактериопланктон на долю которых приходится до 90-95% продукции водоема.

Поскольку основным критерием эвтрофирования водоемов является повышение их продуктивности, в первом приближении можно ограничиться рассмотрением только начальных и промежуточных звеньев трофической сети водного биоценоза на уровне: фитопланктон, зоопланктон, бактерии-сапротрофы, а из всех биогенных веществ рассматривать только те, которые лимитируют величину первичной продукции.

Глава 2. Эвтрофирование водных экосистем

Гидросфера служит естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ, поступающих непосредственно в атмосферу или литосферу. Это связано с наличием глобального цикла круговорота воды, со способностью воды к растворению различных газов и минеральных солей, а также с тем, что любой водоём служит своего рода приемником, куда вместе с потоками воды смываются с суши всевозможные твердые частицы. Кроме того, вода в силу своего широкого использования в промышленности, сельском хозяйстве, в быту подвержена и непосредственному антропогенному загрязнению.

Будучи естественной средой обитания живых организмов, вода находится в динамически равновесном состоянии обмена биогенными веществами с водными биоценозами. Понятие трофности водоёмов сформулировано Тинеманном и Науманном в начале XX века. Под этим понятием понимают «кормность», питательность водоемов, то есть обеспеченность пищей населяющих их гидробионтов. Само слово эвтрофный происходит от греческого слова «эвтрофос», что в переводе означает «тучность», «жирность». Эвтрофирование - повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных и естественных факторов.

Следует отметить, что между понятиями «эвтрофирование» и «загрязнение» имеется существенная разница, заключающаяся в том, что загрязнение обусловлено сбросом токсических веществ, подавляющих биологическую продуктивность водоемов, а эвтрофирование до известной степени повышает продуктивность [4].

2.1 Основные источники загрязнения водоемов биогенными веществами

Основными источниками загрязнения водоемов биогенными веществами служат смыв азотных и фосфорных удобрений с полей, строительство водохранилищ без надлежащей очистки ложа, сброс сточных вод, в том числе не прошедших биологическую очистку.

В эвтрофировании водоемов принимают участие два главных биогенных элемента - азот и фосфор. Если отношение содержания минерального азота к содержанию минерального фосфора в воде меньше 10, то первичная продукция фитопланктона лимитируется азотом, при отношении более 17 - фосфором, при отношении от 10 до 17 - азотом и фосфором одновременно [4]. Установлено также, что азот определяет развитие фитопланктона главным образом в олиготрофных океанических районах и в морских экосистемах, а фосфор во внутриконтинентальных водоемах. В процессе эвтрофирования водоемов умеренной зоны решающую роль играет фосфор.

Эвтрофирование является естественным процессом эволюции водоема. С момента своего зарождения водоём в естественных условиях проходит несколько стадий в своем развитии: на самых ранних стадиях - от ультраолиготрофного до олиготрофного (малое количество биогенных веществ, способное поддерживать лишь низкий уровень биомассы), затем становится мезотрофным (средняя стадия насыщения вод биогенными элементами), и наконец, превращается в эвтрофный и гиперэвтрофный.

Эвтрофный водоем характеризуется низким содержанием растворенного кислорода, избыточной биомассой. На этой стадии рост водорослей лимитируется светом или температурой, а не доступностью биогенных веществ. На начальной стадии подобное увеличение плодородия полезно, поскольку озеро становится более продуктивным. В дальнейшем продуктивность становится настолько большой, что вызывает ухудшение качества воды. Изобилие биомассы в конечном итоге приводит к сильному уменьшению концентрации растворенного кислорода, так как при бактериальном разложении органического вещества интенсивно расходуется кислород. В таких условиях анаэробное разложение органического вещества и восстановление соединений железа приводит к образованию сероводорода [17].

Под воздействием хозяйственной деятельности этот естественный процесс приобретает специфические черты, становится антропогенным. Резко возрастают скорость и интенсивность повышения продуктивности экосистем. Если в естественных условиях эвтрофирование какого-либо озера протекает за время 1000 лет и более, то в результате антропогенного воздействия может произойти в сто и даже тысячу раз быстрее. Такие крупные водоемы, как Балтийское море, озера Эри, Тахо и Ладожское перешли из одного трофического состояния в другое всего за 20-25 лет.

По словам Ю. Одума, антропогенное эвтрофирование - это злокачественное увеличение первичной продукции в водоеме [4]. Развитие процесса антропогенного эвтрофирования приводит ко многим неблагоприятным последствиям с точки зрения водопользования и водопотребления (развитие «цветения» и ухудшение качества воды, появление анаэробных зон, нарушение структуры биоценозов и исчезновение многих видов гидробионтов, в том числе ценных промысловых рыб).

Основными критериями для характеристики процесса эвтрофирования водоемов являются:

уменьшение концентрации растворенного кислорода в водной толще;

увеличение концентрации биогенных веществ;

увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического происхождения;

последовательная смена популяций водорослей с преобладанием сине-зелёных и зеленых водорослей;

уменьшение проникновения света (затенение водной толщи планктоном, возрастание мутности воды);

увеличение концентрации фосфора в донных отложениях;

значительное увеличение биомассы фитопланктона (при уменьшении разнообразия видов) и т.д.

Отношение общего азота к общему фосфору в водоеме указывает на степень эвтрофирования его водной экосистемы. Для сильно гумифицированных внутренних водоемов данное отношение имеет порядок 100 и более, для самых чистых олиготрофных и мезотрофных озер - 30-40, для эвтрофных водоемов, находящихся под очевидным антропогенным воздействием - 15-25, для гипертрофных водоемов - 12-18 (до 3-5) [4].

Глава 3. Краткий обзор основных понятий лимнологии, использованных в работе

.1 Морфология озерных котловин

Большинство озер в плане имеют разную горизонтальную расчлененность, и во многих озерах, которые имеют сложное очертание, можно выделить отдельные части: плёсы, заливы, бухты, губы. Кроме того, котловины озёр, как правило, включают одну или несколько впадин и возвышенностей, некоторые из них могут возвышаться под поверхностью озера, образуя острова.

Из многообразия форм горизонтальной расчлененности озёр по очертанию акваторий выделяют пять основных типов [6].

. Первый тип - вытянутые озера, отношение длины озера к ширине не менее 4-5, до 20 и даже более. Таких озёр много в Карелии (Космозеро, Путкозеро, Паанаярви и др.).

. Второй тип - лопастные озера, которые имеют сложное строение, с обособленными участками, большой расчленённостью и с островами. В Карелии - Нюкозеро, Такшозеро, Верхнее Куйто.

. Третий тип - овальные с лопастными отчленениями, к этому типу относятся Онежское озеро, Сямозеро, Сукозеро.

. Четвертый тип - овальные озера, несколько вытянуты, коэффициент удлиненности 2.0-2.5 и более. К этому типу можно отнести озеро Шотозеро (Карелия). Таких озёр много в озёрных областях бывшего оледенения.

. Пятый тип - круглые озера, чаще всего встречаются в зоне вечной мерзлоты (термокарстовые озера), некоторые вулканические озера имеют круглую форму. Типичным примером круглых озер является озеро Миккельское в Карелии.

Кроме того, озера могут быть полукруглые, эллиптические, прямоугольно-вытянутые, древовидные, в форме полумесяца, треугольника и других форм [6].

.2 Морфометрия озёр

Морфометрия озёр является частью геоморфологии озёр и рассматривается как раздел озёроведения для количественной характеристики форм и размеров котловины и объёма занимающих их вод. Морфометрические показатели имеют первостепенное значение для лимнологических и гидробиологических исследований. Основные морфометрические показатели (84) для озер и их частей и способы их определения приведены в работе Г.Ю. Верещагина (1930), но в лимнологических и гидробиологических исследованиях чаще всего используют не более 10-30 параметров [6]. Основные морфометрические параметры озер и способы их определенияданы в таблице 1.

Таблица 1

Основные морфометрические показатели озёр(С.П. Китаев, 2007) [6]

.3 Площадь, средняя и максимальная глубина

Для сравнительного изучения разных по площади озер взяты самые основные признаки, которые характеризуют озеро в той или иной степени и отражают процессы ведущие к переработке прибрежья. Из всего разнообразия морфометрических, лимноморфогенетических и гидроморфологических характеристик озер рассматриваются более подробно: площадь озера, средняя и максимальная глубина, показатель удельного водосбора, показатель условного водообмена, которые в большей степени определяют гидрофизические, гидрохимические и биологические особенности озер.

П.В. Иванов разработал классификацию озер по величине их площадей, располагая классы водоемов в геометрической прогрессии со знаменателем, равным десяти (таблица 2). Эта классификация дает возможность объективно оценить озера по их величине. Она нашла применение в условиях Карелии. И.С. Захаренков предложил несколько изменить расположение некоторых классов и каждый класс для детализации разбить на группы с границами пропорциональности 1 3 10.

Таблица 2

Пределы величины площадей озер, км2[6]

Средняя глубина озер площадью до 100 км2 изменяется от менее чем 1 до 48,8 м.

Величины средней глубиныразбиты на пять классов, расположенных в геометрической прогрессии со знаменателем 2:

. Средние глубины очень малые - менее 2.

. Средние глубины малые - 2-4.

. Средние глубины большие - 8-16.

. Средние глубины очень большие - более 16.

Величины максимальных глубин разбиты на шесть классов, расположенных в геометрической прогрессии со знаменателем 2:

. Очень малая максимальная глубина - менее 3,12.

. Малая максимальная глубина - 3,12-6,25.

. Средняя максимальная глубина - 6,25-12,5.

. Повышенная максимальная глубина - 12,5-25.

. Большая максимальная глубина - 25-50.

. Очень большая максимальная глубина - более 50 [6].

Такие показатели формы озёрной котловины, как соотношение средней и максимальной глубин (С1), отношение средней глубины к глубине погружения центра тяжести (С), учитывают насколько котловинаконкретного озера близка по форме к одной из следующих геометрических фигур (таблица 3).

Таблица 3

Классификация озёр по показателям формы озёрной котловины [3]

ФормаПоказательСС1Цилиндр2,01,0Полуэлипсоид1,782/3Параболоид1,51/2Конус1,331/3

Для характеристики конфигурации водоемов используется широко применяемый в лимнологии показатель удлинённости или вытянутости (Ку), определяемый как отношение длины озера к его средней ширине.

По показателю удлинённости С.В. Григорьев разделил все озёра на пять групп, приведённые ниже в таблице 4.

Таблица 4

Классификация озёр по показателям удлинённости озёр [6]

ФормаПоказатель КуОзёра, по форме близкие к окружности1,5-3,0Озёра, по форме близкие к овалу3,0-5,0Озёра, по форме близкие к овалу5,0-7,0Удлинённые озёра7,0-10,0Озёра, вытянутые в виде «борозды»Более 10,0

3.4 Определение водного баланса. Классификация озер по водному балансу

По водному балансу озёра делятся на бессточные и сточные. Бессточные озера не имеют поверхностного стока, а воду практически теряют на испарения. Для сточных озер характерна потеря воды за счет поверхностного и подземного стока и испарения. В некоторых природных зонах встречаются озера с перемежающимся стоком, которые занимают промежуточное положение между сточными и бессточными озерами. Такие озёра имеют сток в период высоких вод; в межень вытекающие из них водотоки пересыхают.

Водный баланс сточного озера определяется по уравнению:

где X - осадки на зеркало озера, м3;

Yпр - поверхностный приток в озеро, м3;

Yгр - подземный приток в озеро, м3;

К - конденсация водяных паров на зеркало озера, м3;

Yст - поверхностный сток из озера, м3;

Yср - фильтрация;

Z - испарение с зеркала озера, м3;

ΔV - изменение объема воды озера, м3 (расчет можно вести за секунду, час, сутки, месяц, год).

Если водный баланс измеряется в виде слоя, то все величины указываются в мм, см или м.

Для бессточного озера используют уравнение:

Наиболее полную классификацию озёр по роли приходной и расходной частей баланса и деление озер на две основные группы: стоковые и испаряющиеся (таблица 5, рисунок 2) [6]. В первой группе сток озёр превышает испарение с водной поверхности. Во второй группе эти показатели имеют обратное соотношение. В свою очередь, внутри каждой из групп выделяются три подгруппы озёр, отличающиеся по приходной части баланса: приточные с преобладанием притока с водосбора над атмосферными осадками на зеркало озера, нейтральные с примерным равенством этих показателей и дождевые с преобладанием осадков над притоком [10].

Таблица 5

Схема классификации озёр по водному балансу [6]

При выделении подтипов озер атмосферные осадки на зеркало (X) и приток с бассейна (Yпр) выражен в процентах от приходной части баланса, а испарение с зеркала (Z) и сток из озера (Yст) от расходной части.

Рисунок 2. Схема классификации озёр по водному балансу (условные обозначения в таблице 5) [6]

В зависимости от интенсивности водообмена Б.Б. Богословский выделил три класса озёр (таблица 6).

Таблица 6

Классификация озёр по величине внешнего водообмена [6]

КлассВодообмен, КвСильно проточные (транзитные)>100Умеренно проточные (транзитно-аккумулятивные)4-100Слабо проточные (аккумулятивно-транзитные)<4

3.5 Удельный водосбор и показатель условного водообмена

Кроме площади озера, максимальной и средней глубины, другими очень важными гидрологическими показателями являются удельный водосбор и показатель условного водообмена, которые указывают на количественную связь озера с его водосборным бассейном.

О тесной связи водоёма с водосборной площадью в общем писали многие лимнологи В.С. Сумароков предложил коэффициент озёрного питания, т.е. отношение площади озера к площади водосбора. [6].

Известным лимнологом W Halbfass был предложен показатель удельного водосбора как отношение площади водосбора к площади озера. Уже в то время Halbfass подчеркивал, что многие лимнологи слишком увлеклись значением в жизни озёр морфометрических показателей и почти забыли значение водного баланса. В этой же работе он привел данные по удельному водосбору 110 озёр мира (СССР - 7 озер) и отметил, что этот показатель изменяется от 1.4 до 10 306.0 и при одинаковой водосборной площади приток будет зависеть от климата, рельефа (петрографических условий залегания пород) и стока. Кроме того, автор приводит данные по 14 озерам и указывает число лет, необходимых для полной смены воды озер водой с водосборной площади, т.е. приводит величину, обратную показателю условного водообмена С.В. Григорьева. Такой же показатель предложил норвежский лимнолог К.М. Ström.

С.В. Григорьев разработал стройные схемы гидрологических классификаций озер с применением показателей удельного водосбора и условного водообмена. Он не только предложил определение удельного водосбора как отношение площади водосбора, замыкаемой данным озером, к площади акватории озера, а также показатель условного водообмена, или сменности объёма воды озера объемом воды с водосборной площади, но и разработал гидрологическую классификацию озер в зависимости от этих показателей. По показателю удельного водосбора:

ΔFоз = F/f

где ΔFоз - показатель удельного водосбора;

F - площадь водосбора, м2;

f - площадь акватории озера, м2.

По удельному водосбору С.В. Григорьев делит все озера на три основные группы и две подгруппы:

. Озера с малым удельным водосбором - ΔFоз менее 10 (подгруппа с очень малым удельным водосбором - ΔFоз менее 5).

. Озера со средним удельным водосбором - ΔFоз 10-50.

. Озера с большим удельным водосбором - ΔFоз более 100 (подгруппа с очень большим удельным водосбором - ΔFоз более 1000).

Как видно из приведенной формулы, ΔFоз - число отвлеченное, но удельный водосбор имеет и реальный смысл, т.е. это число показывает, во сколько раз площадь водосбора больше или меньше (что встречается значительно реже) площади акватории озера, или сколько км, га или м водосборной площади приходится на 1 км или 1 м площади акватории озера.

По показателю условного водообмена озер (авод) С.В. Григорьев выделяет три группы и две подгруппы озер:

. Озёра с малым показателем условного водообмена - авод менее 0.5 (подгруппа с очень малым показателем условного водообмена - авод менее 0.2).

. Озёра «среднего» условного водообмена - авод 0.5-5.0.

. Озёра «большого» условного водообмена - авод более 5.0 (подгруппа «очень большого» условного водообмена - авод более 50) [6].

Глава 4. Уровенный режим озёр Северо-Запада России

Северо-Западный регион занимает почти 10% всей площади России (территория около 1.7 млн. км2) [5]. К Северо-Западу России относятся водосборы Баренцева и Белого морей и значительная часть Балтийского, акватория которого характеризуется близкой к критической экологической обстановкой. Состояние морских и озерных экосистем в первую очередь определяется именно экологической обстановкой на водосборах.

Территория Северо-Запада характеризуется развитой речной сетью, большим количеством озер и болот. Формирование густой гидрографической сети обусловлено большим объемом атмосферных осадков и связанным с ним положительным водным балансом.

Питание рек этого региона осуществляется в основном за счет талых вод, на долю которых приходится около 75% речного стока. Поэтому особенно сильные половодья приходятся на периоды снеготаяния. Доля дождевых и грунтовых вод в питании рек сравнительно невелика, но в период выпадения осенних дождей уровень их обычно снова повышается, но не достигает величин весеннего половодья. У рек, вытекающих из крупных озер или протекающих через них, годовые изменения уровня существенно сглажены, менее заметна летняя межень, а паводки практически отсутствуют.

Реки Северо-Запада России значительно различаются по режиму ледостава, продолжительность которого, а также сроки замерзания и вскрытия рек определяются местоположением и погодными условиями. Воды рек характеризуются слабой естественной минерализацией. Большая часть речных вод относится к гидрокарбонатному классу. Территория Северо-Запада России изобилует озерами, различными по величине и генезису. Здесь находятся крупнейшие озера Европы - Ладожское (17.7 тыс. км2) и Онежское (9.7 тыс. км2). Известно более 150 тыс. озер площадью более 1 га. Распределены озера по территории Северо-Западного региона весьма неравномерно. Наиболее крупные из них принадлежат бассейнам Балтийского и Белого морей.

В пределах Северо-Запада выделяются следующие типы озёр:

озёра, приуроченные к эрозионно-тектоническим впадинам Балтийского кристаллического щита (Кольский п-ов, Карелия, Карельский перешеек);

карстовые озёра, расположенные на территориях с неглубоким залеганием карбонатных пород;

озёра, занимающие котловины холмисто-моренного рельефа.

Озера играют заметную роль в общем гидрографическом облике Северо-Западного региона. Наряду с такими крупными озерами, как Чудско-Псковское и Ильмень, здесь имеется большое количество средних и малых водоемов. Общее же число озер превышает 5-6 тысяч. Такое скопление озер связано с историей развития рельефа: сравнительной «молодостью» его современной поверхности, позже других районов Европейской части освободившейся от ледникового покрова. Этому способствуют также и современные физико-географические условия, характеризующиеся избыточным поверхностным увлажнением. Связь озер с четвертичным оледенением как бы подчеркивается почти полным совпадением южной границы озерной области с южным краем последнего оледенения. Сравнительно слабо врезанная речная сеть еще не успела после отступания ледника понизить уровень озер или выполнить наносами их котловины.

Однако степень озёрности и характер озёр района существенно отличны от района Карелии. В то время как в Карелии степень озёрности составляет в среднем около 10%, а местами достигает 20% и более, здесь озёрность обычно не превышает 1-3%. В Карелии большинство озер имеет тектоническое происхождение, здесь же преобладают озера, образовавшиеся в результате аккумулятивной и эрозионной деятельности ледника. Котловины озер приурочены главным образом к понижениям между моренными грядами и холмами или они образованы в результате подпруживания речных долин ледниковыми отложениями. Существенно отличной является и форма озер. В большинстве случаев это небольшие, округлой формы водоемы со слабо развитой береговой линией; они имеют плоские берега, небольшие глубины, не превышающие, как правило, 5-10 м, и плоский рельеф дна. На дне озер часто залегают мощные отложения ила (сапропель).

Чудско-Псковское озеро относится к числу крупнейших озер Европейской части России; площадь водной поверхности его равна 3550 км2, что меньше площади только двух, расположенных здесь озер - Ладожского и Онежского.

С Чудским озером связаны три крупные проблемы: устройство непрерывного Чудско-Балтийского водного пути, мелиорация прилегающих к нему обширных заболоченных пространств и рыбо-хозяйственное использование. В озеро впадает свыше 30 притоков, из которых главнейшими являются река Великая, впадающая с юга, и река Эмайыги (Эмбах), текущая с запада; общая площадь их водосбора составляет до 75% всего водосбора озера. Из озера вытекает река Нарва. Чудско-Псковское озеро состоит из трех, более или менее обособленных частей, имеющих самостоятельные наименования. Северная и самая большая его часть носит название Чудского озера, южная, меньшая по размерам - Псковского озера, а пролив, соединяющий эти два водоема, именуется Теплым озером.

Таблица 7

Размеры отдельных частей Чудско-Псковского озера [15].

Наименование озераПлощадь, км2% к общей площади озераНаибольшая глубина, мЧудское26707510,7Псковское710205,4Теплое170514,6

При сравнительно больших размерах, Чудско-Псковское озеро относится к числу мелководных водоемов. Оно имеет плоское дно, выполненное мощным серым илом. Наибольшая глубина равна 14.6 м и расположена в самом узком месте Теплого озера.

В озере имеется значительное число островов, из которых самыми большими являются о. Перисар, расположенный в южной части Чудского озера, и о. Колпин - в Псковском озере. Примерно в центре последнего находится и группа Талабских островов (Белова, Залита и Талавенец). Береговая линия озера имеет плавные очертания и образует только один значительный залив - Раскопельский, используемый в качестве удобной базы для стоянки судов. Почти всюду к низким берегам озера, сложенным в основном торфяником, прилегают обширные низменные и заболоченные пространства, затопляемые в периоды весенних подъемов уровня. При наиболее значительных разливах площадь затопления достигает 1000 км2.

Вдоль северного и восточного берегов Чудского озера тянется песчаный вал, местами поросший лесом (сосна). Чудско-Псковское озеро относится к числу хорошо проточных озер. Ежегодный приток воды в него равен примерно половине водной массы озера. Водный баланс озера складывается следующим образом:

. Приход воды:

осадки на поверхность озера - 560 мм, или 1.9 км3;

приток поверхностных и грунтовых вод - 3150 мм, или 11.2 км3.

. Расход воды:

сток из озера - 3390 мм, или 12 км3;

испарение с водной поверхности - 320 мм, или 1.1 км3.

Вода в озере пресная, слабо минерализованная по сравнению с другими большими озерами она имеет малую прозрачность (около 2.5 м), что объясняется значительным количеством взвешенных наносов, приносимых реками, а также развитием планктона.

Термический режим озера не отличается от режима многих других мелководных озер зоны умеренных широт. Вследствие сравнительно малой глубины озеро довольно быстро прогревается на всю глубину и также быстро охлаждается.

В зимний период наблюдается обратная температурная стратификация, причем придонные слои воды имеют температуру примерно 1.5°. Вследствие малой глубины озера вода при волнении в летнее время перемешивается до дна, а поэтому температура ее мало изменяется по вертикали, постепенно повышаясь, в июле температура достигает 19-21° во всей толще слоя воды. Чудское озеро, обладающее большой водной массой, осенью охлаждается несколько медленнее по сравнению с Псковским и Теплым озерами. Псковское и Теплое озера обычно замерзают раньше, чем Чудское. В последнем же еще долгое время в средней части остается открытой обширная полынья. При замерзании в тихую погоду на месте этой полыньи образуется гладкий, прозрачный лед (по-местному - яснина).

Зимой в ледяном покрове образуются трещины. Они бывают двух видов: мелкие (до 15 см), не проникающие через всю толщу льда и глубокие с открытой водной поверхностью.

В связи с частым затоплением низменных заболоченных пространств побережья, в 1931-1934 годах разрабатывался проект понижения уровня озера путем расчистки истока реки Нарва. К осуществлению проекта было преступлено, но дело не доведено до конца.

Озеро Ильмень расположено среди Приильменской низменности. Геологические данные о строении котловины озера показывают, что первоначально оно обладало довольно глубокой (свыше 20 м) впадиной, которая с течением времени была почти совершенно заполнена мощными отложениями ила.

В озеро впадает большое число рек Мста, Ловать, Пола, Полисть, Шелонь и др., сток осуществляется по Волхову. При большой приточности и малой емкости котловины озеро сменяет полностью свои воды до 6 раз за год, вследствие чего регулирующее влияние его на режим реки Волхов невелико.

В настоящее время озеро Ильмень представляет собой мелководный водоем, глубина которого обычно не превышает 3-4 м в прибрежной зоне и 6-10 м в центральной части. Оно обрамлено низкими заболоченными берегами, затопляемыми при подъеме уровня воды, в результате чего площадь зеркала водоема сильно колеблется (таблица 8).

Таким образом, при высоком уровне площадь зеркала увеличивается почти в 3 раза, а объем до 9 раз. Вообще среди других водоемов озеро Ильмень отличается большой амплитудой колебания уровня воды, достигающей за многолетний период 7.4 м. Такая амплитуда является необычной для озер; она объясняется тем, что площадь самого озера по сравнению с площадью водосбора очень невелика (они относятся как 1:90). В связи с постройкой Волховской гидроэлектростанции уроненный режим озера изменился, так как подпор от плотины гидроэлектростанции при низких уровнях распространяется до озера Ильмень. Во время сильных ветров высота волны на озере может достигать 1-2 м.

Таблица 8

Размеры площадей и объемов озера Ильмень в зависимости от уровня воды [15]

УровеньПлощадь, км2Объём воды, млн.м3Низкий уровень7701400Средний уровень1100-Высокий уровень220012000

Вода озера в своей массе имеет желтоватую окраску, которая в зависимости от времени и места наблюдений, а также от состояния погоды меняется от светло-зеленоватого до буроватого оттенка. Прозрачность воды очень мала, что объясняется перемешиванием водной массы во время волнения до дна.

Летом вода озера сильно прогревается на всю глубину. По вертикали температура воды почти не меняется, термическое расслоение (стратификация) наблюдается только в периоды длительной штилевой погоды, когда разность температуры в поверхностных и придонных слоях достигает 4.4. Средняя месячная температура воды на поверхности в летнее время (июль-август) довольно высока (18-20°) и приближается к температуре воздуха, иногда даже превышает ее на 0.5-1.0°. Вследствие малой глубины озера в ходе температуры воды за теплую половину года наблюдается довольно близкая согласованность с ходом температуры воздуха.

Охлаждение озера происходит довольно быстро. Зимой при обратной температурной стратификации разность температуры поверхностных и придонных слоев достигает 3.0-3.2 благодаря тому, что придонные слои согреваются теплотой ила. В течение зимы по той же причине температура придонных слоев повышается, достигая максимума примерно в марте.

Средние и малые озера района. Особенно много озер среди моренных возвышенностей: Валдайской, Невельско-Витебской, Судомской, Литовско-Белорусской и др. Из числа наиболее значительных можно отметить озера Выртс-Ярв и Лубенское, расположенные на территории Эстонии.

В западной части Ленинградской области известны Череменецкое озеро (площадью около 15.5 км2), поблизости от г. Луги, и большие мелководные озера Самро (40 км2) и Сяберское (19.4 км2). Здесь же расположены две более или менее значительные группы озер:

. Кингисеппская группа, куда входят мелководные озера (площадью в 5-10 км2): Копанское, Глубокое, Бабинское и Хабаловское.

. Озера Кургаловского полуострова: Липовское (5.6 км2) и Белое (3.6 км2).

Большое число озер (Малый Вяз, Ясское, Езерище и др.) расположено в верхней части бассейна реки Великой. Верховья Западной Двины также изобилуют озерами, из которых наиболее значительными являются Охват-Жаденье, Жижицкое, Себежское, Освейское и Нарочь.

В местах близкого залегания к поверхности известняков встречаются озера карстового происхождения, котловины которых образовались в результате химического растворения пород. К таким районам относится Обонежье - водораздельная полоса между Онежским и Белым озерами.

Из числа водоемов этой группы могут быть названы следующие, периодически исчезающие озера: Долгозеро, Шихозеро, соединяющиеся подземным стоком с Онежским озером, Кузимозеро и Канское, связанные таким же образом с Белым озером. Сюда же относятся озера Ундозеро, Глухое, Сухое и некоторые другие. Размеры карстовых озер обычно невелики - площади не превышают 4-5 км2, а глубины составляют 12-18 м.

Вода из котловин карстовых озер может совершенно исчезать. Дно таких опорожненных озер иногда используется под сенокосы и пашни.

Среди водоемов Северо-Западного района довольно большую группу составляют озера, встречающиеся среди болот и болотных массивов. Происхождение озер этого типа связано с жизнью самих болот. Иногда их называют озёрами вторичного происхождения, подчеркивая этим связь с прежним озером, на месте которого образовалось болото.

Размеры и глубины этих озер небольшие. Дно сильно заилено. Нередко моховой покров затягивает поверхность озер, оставляя лишь местами небольшие открытые участки (окна или окнища). Особенно много озер такого типа встречается среди болот Волхово-Ильменской низменности, в частности среди Полистовского болотного массива, расположенного в бассейне реки Полисть.

Ладожское озеро собирает воды с обширного бассейна площадью в 276000 км2, куда входят бассейны Вуоксы с озером Сайма, Свири с Онежским озером и Волхова с озером Ильмень. Из озера вытекает Нева, являющаяся короткой, но мощной рекой, соединяющей его с Балтийским морем. Превышение уровня Ладожского озера над уровнем Балтийского моря составляет в среднем 4.3 м. В период нагонов воды со стороны Финского залива, когда подъем уровня в устье Невы достигает 4 м, подпор распространяется почти до самого озера.

Котловина Ладожского озера представляет собой сбросовую впадину, дно которой расположено ниже уровня моря. В четвертичный период она подвергалась действию оледенения, причем наиболее значительные изменения произошли в северной части, где ледником были выработаны многочисленные узкие заливы.

Ладожское озеро может рассматриваться как остаточный (реликтовый) водоем, поскольку в конце ледниковой эпохи, в период более высокого стояния уровня, на его месте располагались последовательно Иолдиевое, Анциловое и Литториновое моря.

Котловина озера довольно четко делится на две части: северную - более глубокую (до 225 м), с неровным дном, изрытым многочисленными желобами и ямами, и южную - с глубинами, не превосходящими 40 м, и ровным дном. Емкость котловины около 900 км3. Северный берег озера высокий, скалистый, изрезанный глубоко вдающимися в сушу заливами. Южный берег низкий и пологий; он образует обширные заливы, носящие название губ (Шлиссельбургская, Свирская и Волховская губы).

Острова, числом до 500, расположены главным образом в северной части озера; наибольшим из них является остров Валаам. В западной части озера расположен остров Коневец. В южной половине встречаются лишь небольшие островки-мели. К их числу относится остров Сухо, представляющий собой небольшой искусственный островок размером примерно 50х50 м, на котором расположены маяк и гидрометеорологическая станция.

Уровень озера в течение года колеблется в пределах 50-70 см. Многолетняя амплитуда колебания уровня достигает 2.9 м. Наивысший уровень отмечается в июне. На озере часто наблюдается волнение; высота волны достигает 2 м и более.

Течения в Ладожском озере преимущественно ветровые (дрейфовые), прежние утверждения о наличии в нем якобы постоянного кругового течения исследованиями Государственного гидрологического института (1930-1932) не подтвердились. В Волховской, Свирской и других губах отмечаются более или менее постоянные течения, вызываемые притоком речных вод.

Термический режим озера своеобразен. Его южная часть в летние периоды очень сильно прогревается, причем температура воды у берегов достигает 24°, а в центральной части - до 18-20°. Северная глубоководная часть водоема менее прогревается, поэтому температура воды на поверхности не превышает 15-17°.

На глубине 10-15 м от поверхности воды расположен слой скачка, т. е. слой резкого понижения температуры воды. На глубине 15-18 м температура летом составляет 4-4.5°, в придонных слоях зимой она понижается до 1-2°. Прозрачность воды мала и даже в открытой части озера не превышает 4.5-5.0 м. В массе вода имеет коричнево-зеленоватый оттенок, который придают ей болотные воды, приносимые реками. Осенью озеро медленно остывает. В ноябре замерзают его мелководные заливы, затем появляется береговой припай, который, расширяясь, захватывает открытую часть озера. Процесс замерзания озера затягивается до января. Центральная, наиболее глубоководная часть замерзает в январе-феврале, и то лишь в суровые зимы.

Очищение озера ото льда происходит значительно позднее по сравнению с реками, обычно лед держится до первой половины мая.

Ладожское озеро регулирует сток Невы и имеет большое транспортное значение; оно является важным звеном в системе Беломорско-Балтайского и Волго-Балтийского водных путей. Вдоль его южного побережья для безопасности плавания проложены два канала: Староладожский, постройка его начата еще при Петре I (1719-1731), и параллельный ему, более глубокий Ново-Ладожский, прорытый в 1861-1866 годах при реконструкции Мариинской системы. Велико также значение озера для рыбного хозяйства страны.

Онежское озеро второе по величине озеро Европы. По площади, равной 9900 км2, оно занимает шестое место среди больших озер бывшего СССР. Максимальная глубина его не превышает 120 м. Главнейшие притоки Онежского озера - Шуя, Суна и Водла, вытекает из него река Свирь.

Котловина озера тектонического происхождения; она в значительной мере была переформирована в результате деятельности ледника. Особенно заметно влияние работы ледников в северной ее части, которая отличается изрезанностью береговой линии: здесь имеется много глубоко вдающихся в сушу узких заливов, вытянутых с северо-запада на юго-восток, т. е. в направлении движения ледника.

Рельеф озерного ложа отличается сложным строением и крайней неравномерностью распределения глубин. Этим Онежское озеро, так же как и Ладожское, резко выделяется среди других больших озер мира. Примерно по линии Петрозаводск - устье Водлы озерная котловина делится на две резко различные части: северную и южную. Южная часть ее имеет ровный рельеф дна и сравнительно небольшие глубины. Здесь в свою очередь можно выделить несколько морфологически обособленных частей: Свирская губа, Свирское Онего, Южное Онего, Центральное Онего.

Северная часть котловины озера отличается чрезвычайно резкими колебаниями глубин, наличием многочисленных длинных и глубоких впадин или ям, разделенных повышенными участками дна. Большое число мелей, мысов, островов и заливов придает этой части озера шхерный характер. Отдельные части озера носят самостоятельные названия: Большое Онего, Петрозаводская губа, Кондопожский залив, Лижемская губа и т д. Самая большая губа северной части озера - Повенецкая, она имеет длину около 100 км.

Северный берег скалистый, а южный, восточный и западный берега большею частью образованы цепью песчаных дюн, достигающих местами высоты 15-18 м, за которыми иногда располагаются болота. Вся глубоководная часть озерной котловины выполнена светло-серо-зелеными илами, а мелкие прибрежные части озера - леском, галькой и валунами.

Амплитуда колебания уровня озера невелика и составляет 50-55 см в год; ее многолетние значения равны 1,8-19 м к зависимости от характера погоды в том или ином году наблюдается разный тип годового хода уровня воды, однако большей частью ход уровня соответствует типу режима с отчетливо выраженным, хотя и невысоким весенним половодьем. В вековом ходе уровня озера замечается определенная цикличность хорошо согласующаяся с ходом атмосферных осадков.

Интересно отметить, что на Онежском озере инженером Стабровским еще в 1854 году, впервые в России, были зафиксированы сейши. Это было сделано за много лет до того, как сейши Женевского озера стали изучаться Форелем. Водный баланс Онежского озера в среднем за многолетний период (1887-1939) по расчетам, произведенным 3.А. Викулиной характеризуется следующими данными:

. Элементы прихода:

осадки 476 мм;

поверхностный приток 1617 мм;

итого 2093 мм.

. Элементы расхода:

сток 1848 мм;

испарение 245 мм;

итого 2093 мм.

Прозрачность воды озера сравнительно невелика, меньше чем в Ладожском озере. Белый диск, опущенный в воду, перестает быть видимым обычно на глубине 4 м. Вода озера в массе имеет слегка коричневатую окраску вследствие большого притока болотных вод; ее минерализация очень слабая и составляет 30-40 мг/л, а жесткость - не более 1 немецкого градуса. Наибольших значений (17°) температура воды достигает в августе; в придонных слоях даже в самые жаркие периоды температура не выше 4°. В теплую

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.