Текст книги "Инженерная геоэкология"

3.4. Озера и водохранилища

Озером называется заполненное водой замкнутое углубление суши, не являющееся частью Мирового океана. Это естественный водоем суши, имеющий замедленный водообмен.

В озере обычно выделяется несколько основных элементов:

– котловина – естественное понижение земной поверхности, в пределах которого расположено озеро;

– ложе (или чаша) озера – поверхность, непосредственно занятая водой;

– береговая область, включающая береговой уступ, побережье и береговую отмель;

– глубоководная часть озера;

– дно озера;

– плёс – часть озера, ограниченная очертаниями берегов и рельефом дна;

– заливы, бухты, губы – части озера, вдающиеся в сушу.

Количественные показатели размеров и формы озера называются его морфометрическими характеристиками. Основными из них являются:

– площадь озера (площадь его водной поверхности или зеркала);

– объем озера, т. е. объем воды в озере;

– длина озера – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга точками его береговой линии, измеряемое по поверхности водоема;

– ширина озера – расстояние между двумя противоположными берегами озера;

– длина береговой линии;

– глубина (средняя и максимальная) озера;

– форма озерной котловины – отношение средней глубины к глубине положения центра тяжести воды в озере.

Морфологические элементы и морфометрические характеристики озера отражают особенности его природных условий как естественного водоема суши.

Существенным природным показателем озера служит его водообмен, который тоже неодинаков в разных озерах. По характеру водообмена выделяются:

– сточные озера, сбрасывающие часть своих вод в виде речного стока;

– бессточные озера, лишенные стока воды;

– проточные озера, у которых одна из рек, впадающих в озеро, приносит примерно столько же воды, сколько выносит река, вытекающая из озера;

– временно сточные озера, или озера с перемежающимся стоком, когда сток из озера наблюдается лишь периодически, во время наибольшего притока воды в озеро.

Сточные озера характеризуются различной интенсивностью водообмена, играющего важную роль в гидрологических, гидрохимических и других процессах.

Как и каждый раствор, озерная вода содержит то или иное количество растворенных элементов и веществ. В зависимости от величины их концентрации в воде выделяют:

– пресные озера;

– солоноватые;

– соленые.

Сточные и проточные озера обычно бывают пресными, а бессточные, как правило, – солоноватые и соленые. Пространственное распределение каждой из этих групп озер определяется главным образом климатом; составом горных пород, слагающих местность; режимом грунтовых вод рельефом местности и др.

Родиной соленых озер являются степи и пустыни; здесь мало осадков и велико испарение, а рельеф преимущественно равнинный, следствием чего является слабый сток воды.

Объем воды в озере не остается постоянным: часть ее удаляется, часть поступает в него извне. Соотношение питания озера и потерь воды из него характеризуется его водным балансом. Им определяются объем воды и его изменения во времени, а следовательно, и основные черты режима озера.

Водный баланс любого озера обычно выражает соотношение приходной и расходной частей, учитываемых за определенный промежуток времени. К составляющим приходной части относятся: атмосферные осадки, выпадающие на поверхность озера; приток поверхностных вод; конденсация водяного пара атмосферы на поверхности озера, подземный сток. Составляющие расходной части: сток из озера; испарение с водной поверхности, подземный отток (фильтрация) из озера. Поверхностный сток включает в себя сток реки, вытекающей из озера, и отбор воды на хозяйственные нужды. Водный баланс обычно составляется за месяц, год, многолетний период, а величины его составляющих за это время выражаются в км³ и м³.

Речной сток и атмосферные осадки являются основными составляющими в поступлении вод. Расходование воды в сточных озерах осуществляется главным образом за счет вытекания из них речных вод и испарения, в бессточных – за счет испарения.

Структурой водного баланса является соотношение между различными его приходными и расходными составляющими; структура водного баланса неодинакова для озер, расположенных в разных климатических зонах, и изменяется внутри района, в зависимости от размеров озера и его бассейна, а также от их соотношения. Так, для климатической зоны постоянного увлажнения характерно превышение суммы осадков в среднем за год над испарением с водной поверхности. В зоне с малым увлажнением испарение превышает осадки. В первой зоне озера всегда сточные, а во второй, как правило, бессточные.

Многолетние и внутригодовые изменения водного баланса и его элементов отражаются на многих сторонах природы озера, и прежде всего на положении уровня воды в нем.

Колебания уровня озера обычно происходят при изменениях объема воды в нем; колебания происходят в основном вследствие колебаний величин, составляющих водный баланс, которые не остаются постоянными в течение года и на протяжении многих лет.

Высота стояния уровня воды в озере изменяется по сезонам. В весенне-летнее время, когда наблюдаются большой речной сток и обильные осадки, уровень обычно занимает наиболее высокое положение. Затем он понижается и становится наиболее низким к концу зимы. Подъем и спад уровня обычно происходят плавно, но иногда эти процессы нарушаются резким увеличением или уменьшением речного стока и осадков.

В разных климатических зонах годовой ход уровня имеет свои особенности, связанные с характером поступления и расходования вод в озерах, что отражается на изменениях положения уровня в озере.

Вековые и многолетние колебания уровня воды в озерах определяются в основном климатическими причинами.

Колебания уровня в озере зависят не только от изменения объема воды, но и от перераспределения существующего в озере количества воды по его пространству (при нарушении горизонтального положения водной поверхности). Наиболее характерны сгонно-нагонные колебания, которые вызывает ветер. При длительном устойчивом действии ветра происходят нагон – повышение уровня воды у наветренного берега (куда дует ветер) и сгон – понижение уровня у подветренного берега (откуда дует ветер). Чем сильнее и дольше дует ветер, тем больше нагон и выше уровень в одной части озера, значительнее сгон и ниже уровень в другой его части.

После прекращения действия ветра вода в озере стремится возвратиться в положение равновесия, что вызывает постепенно затухающие колебания уровня – сейши. Они наиболее характерны для крупных озер.

Кроме перемещения вод, вызывающего изменения положения уровня, в озере наблюдаются и другие виды колебательных и поступательных движений воды. Первый из них представлен волнениями, второй – течениями. В большинстве случаев оба вида движений сочетаются в каждом озере.

Как и на морях, волнение в озерах вызывает ветер, воздействием которого определяются размеры волн. Основными показателями этого воздействия являются скорость, продолжительность и длина разгона ветра, а также размеры и глубина озера. В большинстве случаев размеры озера сравнительно невелики, а глубины малы, что обусловливает определенные особенности характера волнения в озере.

К наиболее существенным из них относится зыбь. Волнение в озере возникает и развивается быстрее, чем на море; оно скорее затухает и прекращается. Зыбь наблюдается сравнительно редко и в основном на крупных озерах. Волны обычно имеют неправильную форму.

Высота волны в озере меньше, чем на море. Так, на малых озерах высота волн обычно не превышает 0,5 м, на крупных озерах преобладают волны высотой порядка 0,5–0,8 м, а максимальные достигают 3–4 м, иногда 5–6 м.

Волны на озерах обычно более крутые, чем на морях. При несколько большей крутизне происходит обрушение гребня волны и ее разрушение.

Течение воды в озерах

В озерах течения вызываются главным образом ветром, стоком рек, неравномерным распределением температуры воды. На течения в озере влияют глубина и рельеф дна. В соответствии с причинами возникновения течений они разделяются на несколько видов.

Ветровые течения – течения, вызываемые ветром. В большинстве случаев направление поверхностных течений совпадает с направлением ветра. Вследствие относительно ограниченных размеров озера воздействие отклоняющей силы вращения Земли практически не сказывается на направлении течения. Ветровые течения наблюдаются только в удалении от берегов.

Ветровые течения в озере отличаются большим непостоянством из-за изменчивости ветровых условий и влияния особенностей местных факторов. Скорости ветровых течений на поверхности обычно невелики и редко превышают 0,5 м/с.

Скорости течений изменяются с глубиной вследствие увеличения трения подповерхностных водных слоев. Толщина слоя воды, охватываемого течением, и степень уменьшения скорости значительно изменяются в зависимости от местных условий. Иногда ветровые течения прослеживаются до больших глубин.

Стоковые течения – течения, возникающие под влиянием притока речных вод в озеро или оттока воды из озера. В результате того или иного процесса создается наклон уровня воды в озере. Уровень выше в районе притока вод и постепенно понижается по мере удаления от этого района. Соответственно возникают течения из района с высоким уровнем к районам с пониженным уровнем. Эти течения имеются во всем озере, но наиболее интенсивны в приустьевых его частях. Скорости течений уменьшаются с удалением от устьевых зон. Возле устья скорости течений достигают 1–2 м/с.

Плотностные течения – течения, возникающие в связи с разностью величин плотности воды, обусловленной неодинаковой температурой и минерализацией воды. Эти течения направлены из районов с повышенной плотностью озерной воды к районам с пониженной ее плотностью. Скорости плотностных течений составляют 0,35—0,5 м/с.

Компенсационные течения – течения, обусловленные сгонно-нагонными процессами.

Тепловой баланс озер

Величины температур воды, их распределение на поверхности и по глубинам определяют термическое состояние озера – одну из важнейших его характеристик.

Вода в озере всегда содержит большее или меньшее количество тепла, т. е. обладает некоторым его запасом, который, как и величины температур воды, зависит от показателей составляющих теплового баланса.

К главным составляющим приходной части теплового баланса относятся: солнечная радиация; поступление тепла из атмосферы при турбулентном теплообмене, от донных грунтов, с речным стоком и с подземными водами; выделение теплоты при конденсации водяного пара и при льдообразовании. Основные составляющие расходной части теплового баланса следующие: затраты тепла на эффективное излучение, на передачу тепла атмосфере при турбулентном теплообмене, на приход тепла в грунт дна; расход тепла на испарение и таяние льда. Тепло частично уносится водами рек, вытекающими из озера (для сточных озер), и с подземным оттоком.

Наибольший вклад в приходную часть теплового баланса несет прямая и рассеянная солнечная радиация, а в его расходную часть – потери тепла на испарение.

Термическое состояние озера в любой промежуток времени определяется его географическим положением и связанными с этим климатическими условиями. Оно также зависит от динамики вод, обусловленной воздействием метеорологических факторов, речным стоком, размером и формой котловины. В соответствии с этим температура воды различна не только в озерах различных климатических зон, но и в озерах, расположенных в пределах одной зоны.

Нагревание и охлаждение воды в озере происходит главным образом через его поверхность. Этим в основном обусловлено горизонтальное распределение поверхностной температуры воды. Оно характеризуется большей или меньшей неоднородностью на пространстве озера, которая выражена тем резче, чем сложнее очертания берегов и форма котловины озера. Температура воды на поверхности у берегов заметно отличается от температуры в открытых районах озера. Вследствие малых глубин у берегов вода здесь нагревается и остывает быстрее, чем на относительно глубоких частях озера. На небольших и мелких озерах горизонтальные различия поверхностной температуры воды довольно невелики. Поверхность озера повсюду прогрета примерно одинаково. В озерах тропических и экваториальных широт температура воды на поверхности практически мало изменяется в течение года.

Температура воды изменяется по вертикали, но ее распределение с глубиной неодинаково в разные сезоны года. Это особенно наглядно проявляется в озерах умеренных и северных широт. Поздней осенью и особенно зимой, когда озера обычно замерзают, температура воды в них повышается с глубиной. В это время температура воды на поверхности и в самом верхнем слое имеет наиболее низкие значения. С глубиной она увеличивается и в придонных водах мелких озер может быть равной +0,5 – +1,0 °C, в глубоких озерах может достигать +2 – +4 °C.

С началом весеннего прогрева, который происходит еще при ледяном покрове и продолжается после очищения озера ото льда, температура воды на поверхности становится несколько выше, чем температура подстилающих слоев. В это время минимальные значения температуры воды наблюдаются в подповерхностном слое. При усилении прогрева поверхности озера ее температура повышается; величина температуры начинает выравниваться по глубине. В это время температура всей толщи воды в озере близка к +4 °C (температура наибольшей плотности пресной воды). Летом прогрев поверхностных вод озера усиливается, они приобретают наиболее высокую температуру. Нижележащие слои имеют невысокую температуру, у дна температура воды заметно ниже.

Морфология озер

Размеры озер земного шара варьируют в широких пределах по основным показателям: площади, объему, глубине.

Частицы наносов, приносимые реками, осаждаясь вблизи речных устьев, формируют со временем дельты, которые, разрастаясь, уменьшают емкость озера.

Выравнивание озерного ложа происходит также в результате заполнения котловины органическими отложениями, образующимися при отмирании растительных и животных организмов, населяющих озеро.

С течением времени первоначальный рельеф озерной котловины сглаживается, озеро мелеет, зарастает и умирает. Все озера в геологическом смысле являются временными образованиями и рано или поздно исчезают. Такой цикл развития озера совершается непрерывно. Различают следующие стадии развития озера:

1) стадия юности – первоначальный рельеф котловины остается неизменным;

2) стадия зрелости – вокруг озера появляется береговая отмель, а в устьях рек формируются дельты, но отдельные неровности дна котловины еще сохраняются;

3) стадия старости – озеро окружено склонами дельт и осыпями береговых отмелей; аллювиальные отложения распространены повсеместно и выравнивают озерную котловину;

4) стадия угасания и отмирания – озеро мелеет настолько, что центральная донная равнина располагается почти вровень с береговыми отмелями и непосредственно переходит в них. Водная растительность распространяется повсеместно, переходит из подводной в надводную (болотную), и озеро превращается в болото.

Заболачивание водоемов является нормальным процессом их развития и протекает в зависимости от степени проточности их вод, размеров, характера рельефа дна, крутизны подводных склонов и климатических условий.

Озера с пологими подводными склонами и глубинами, постепенно увеличивающимися к центру, заболачиваются в результате зарастания болотной растительностью, окаймляющей озеро концентрическими зонами. Каждая зона характеризуется определенным видом растительности, которая развивается в зависимости от степени освещенности воды, глубины, температуры и т. д. На берегу и в мелководной прибрежной зоне (с глубинами до 1 м) поселяются осоки, стрелолист, лютики, незабудки. Они находятся в воде не постоянно, а только при повышении уровня. Далее (до глубины 2 м) располагается зона камышей, тростников и рогоза, стебли которых могут значительно возвышаться над водой. Следующую зону (на глубине 2,5–3 м) образуют полупогруженные растения: белые кувшинки, желтые кубышки, водяная гречиха, листья и цветы которых плавают по поверхности воды; затем (на глубине 3–5 м) следует зона погруженных широколистных растений. Еще далее к центру озера (на глубине 5—12 м) размещаются растения, не требовательные к свету, образуя зону подводных лугов, состоящих из водяных мхов и сине-зеленых водорослей.

Отмирающая растительность, опускаясь на дно, почти не разлагается вследствие недостатка в воде кислорода и, накапливаясь, повышает дно котловины; озеро постепенно мелеет. При уменьшении глубин в той или иной зоне происходит перемещение растительных зон, которые, сменяя одна другую, продвигаются от берегов к центру озера, способствуя его полному зарастанию и превращению в болото.

Биологические процессы в озерах связаны с наличием в них не только растительности, но и планктона, который способен противостоять переносу его течениями. В состав планктона входят мельчайшие растения (фитопланктон) и животные (зоопланктон). Фитопланктон нуждается в солнечном свете и распространяется на глубину до 100 м. Зоопланктон населяет всю толщу воды. Зоопланктон включает в себя веслоногих и ветвистоусых рачков и коловраток, а также икру и личинок рыб. Обильное развитие фитопланктона может привести к цветению воды, при котором могут выделяться токсины, вызывающие массовую гибель живых организмов.

Живое население дна озер называется бентосом, а активно плавающих животных, включая рыбу и раков, называют нектоном.

По типу питательности вод озера делятся на евротрофные – богатые планктоном, бентосом и нектоном (низинные озера); олиготрофные – с невысоким уровнем заселенности живыми организмами (верховые озера); дистрофные – умирающие озера с низким жизненным потенциалом, в том числе вызванным влиянием человека (например, загрязнением воды озер химическими стоками).

Водохранилища

В гидросферу Земли входят не только различные естественные, но и искусственно созданные водные объекты (водохранилища). Они включают в себя и собственно водохранилища, и малые рукотворные водоемы – пруды и копани (земляные выемки, заполненные водой).

Водохранилище является искусственным водоемом объемом более 1 млн. м³, с замедленным водообменом, уровенный режим которого постоянно регулируется гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов воды для хозяйственных и социальных потребностей.

Водохранилища создаются путем возведения плотин, перегораживающих долину реки, и путем насыпки валов вокруг речной поймы. В водохранилища превращаются некоторые озера вследствие повышения их уровня с помощью плотин, построенных возле потоков вытекающих из них рек. Тем самым создаются условия для накопления воды, регулирования ее количества в водохранилищах с последующими водохозяйственными мероприятиями.

Разные места создания водохранилищ, особенности их морфологии, неодинаковые способы заполнения их водой свидетельствуют о природном разнообразии водохранилищ и, следовательно, о целесообразности их классификации.

По морфологическому признаку выделяется тип долинных водохранилищ, ложем которых служит часть речной долины. Главный признак таких водохранилищ – уклон дна и увеличение глубин от верхней части водоема к плотине. Второй тип – котловинные водохранилища. К ним относятся зарегулированные озера, а также водохранилища, расположенные в изолированных низинах и впадинах, в отгороженных от моря заливах и лиманах, в искусственных выемках.

По способу заполнения водой различают запрудные водохранилища, заполняемые водой водотоков, на которых они расположены, и наливные, когда вода в них подается из близлежащего водоема или водотока.

По географическому положению выделяются горные, предгорные, равнинные и приморские водохранилища.

По месту в речном бассейне выделяются верховые и низовые водохранилища.

Система водохранилищ на реке называется каскадом. В зависимости от промежутка времени водохранилища могут быть многолетнего, сезонного, недельного и суточного регулирования.

Приведенная классификация отражает главные черты, присущие определенным группам водохранилищ, что весьма существенно для понимания их природы. Вместе с тем водохранилища – специфическая природно-хозяйственная часть географической среды, которой присущи общие закономерности.

Водохранилища антропогенные – это управляемые человеком объекты, но они испытывают также и сильнейшее воздействие природных (прежде всего гидрометеорологических) факторов, поэтому как объекты изучения, использования и управления занимают промежуточное положение между природными и техническими образованиями.

Водохранилищам свойственна особая система внутриводоемных процессов – гидрологических, гидрофизических, химических и биологических.

Для природно-хозяйственных водохранилищ характерна высокая динамичность развития под воздействием различных факторов.

Водохранилища заметно, а иногда и значительно воздействуют на окружающую среду и экологическую ситуацию, вызывая изменение природных и хозяйственных условий на прилегающих территориях. Эти изменения могут быть благоприятными и неблагоприятными.

Водохранилища – водоемы, обычно весьма интенсивно используемые в различных отраслях хозяйства. На каждом значительном водохранилище формируется водохозяйственный комплекс, в который входят отрасли, заинтересованные в создании водохранилищ, и отрасли, использующие уже существующие водохранилища.

В практике создания и эксплуатации водохранилища осуществляются два основных процесса. Первый – аккумуляция стока в подготовленном для этого углублении (котловине). Время аккумуляции воды называют наполнением водохранилища. Через определенное время после его заполнения происходит второй процесс – отдача воды из водохранилища. Он называется сработкой водохранилища. Как наполнение, так и сработка происходят до определенных уровней. Высший проектный уровень водохранилища, такой, который могут выдержать подпорные сооружения в нормальных эксплуатационных условиях в течение длительного времени, называется нормальным подпорным уровнем. Он не остается постоянным. Соответственно изменяются основные характеристики водохранилища – площадь его поверхности и объем воды в нем.

Водный баланс водохранилища, как и в других водоемах, состоит из приходной и расходной частей. Важная черта его структуры – преобладание притока речных вод в приходной части и преобладание стока вод – в расходной. На долю осадков приходится 2–3 % прихода воды, на испарение – не более 10 % расхода воды. Эти данные характерны для большинства водохранилищ.

Положение уровня воды в водохранилище непостоянно во времени и пространстве, что связано с особенностями его эксплуатации. Наиболее значительно уровень изменяется при наполнении и сработке водохранилища, т. е. искусственным путем в процессе регулирования стока. Он перераспределяется в течение различных промежутков времени.

Многолетнее регулирование стока, а через него – и положения уровня обычно производится на крупных водохранилищах, объем воды в которых равен примерно 20–50 % годового стока реки. При многолетнем регулировании сток перераспределяется между многоводными и маловодными годами. В ходе регулирования уровень воды в водохранилище в разные годы находится на неодинаковых максимальных отметках, что приводит к нестабильному развитию процессов в береговой зоне.

Внутригодовые (сезонные) колебания уровня связаны с естественными и искусственными процессами. Весной во время половодья водохранилище быстро наполняется до наибольших отметок, обычно до нормального подпорного уровня. Это наивысший проектный уровень водохранилища, выше которого подъем уровня, как правило, не допускается. С середины лета и примерно до конца зимы, а иногда до начала половодья следующего года в результате сработки водохранилища уровень воды в нем значительно понижается. После спада уровня осенью и зимой происходит его некоторое повышение за счет пополнения водохранилища водой речного стока. Наиболее значительные сезонные колебания уровня наблюдаются между весенним наполнением и осенне-зимней сработкой водохранилища. В этот промежуток времени на равнинных водохранилищах колебания уровня достигают 5–7 м, а на горных – 50–80 м, т. е. они значительно больше, чем на озерах.

В водохранилищах меньше, чем в озерах, величины недельных и суточных колебаний уровня. На больших водохранилищах изменения уровня воды неодинаковы на разных участках. Они наиболее значительны в нижней части водохранилища. По мере удаления от плотины к верхней зоне водохранилища ход уровня становится близким к изменению уровня в низовьях реки в естественном состоянии – в половодье и в межень.

Водохранилищам свойственна сложная, различная по происхождению система течений. Обычно довольно отчетливо проявляются стоковые, ветровые и компенсационные течения.

Стоковые течения относительно устойчивы. Они наиболее развиты во время наполнения водохранилища в затопленных речных руслах. Их скорости измеряются в см/с.

Ветровые течения наблюдаются в основном на крупных водохранилищах, в их центральных и прилежащих к ним районах. По направлению и скорости ветровые течения неустойчивы и развиваются в соответствии со скоростями и продолжительностью действия ветров.

Компенсационные течения возникают в результате сгонно-нагонных процессов.

В результате взаимодействия этих видов течений в водохранилище формируется нестационарная система транзитно-циркуляционных течений, различная на различных его участках. Постоянные стоковые течения обусловливают проточность водохранилищ, а также переформирование их берегов.

На водохранилищах волнение зависит от размеров водоема, скорости и продолжительности действия ветра. Обычно оно наиболее значительно на глубоких озеровидных расширениях водохранилища. На больших водохранилищах высота волн достигает 2–3 м и более.

Основное предназначение водохранилищ – аккумуляция питьевой воды и создание условий для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях (ГЭС). В свое время в СССР был создан ряд крупных водохранилищ без учета современных экологических требований, что привело к затоплению плодородных земель и нарушению условий существования экологических систем. Например, на Волге осетровая рыба не может преодолеть плотины, направляясь в районы нереста.

Таким образом, при проектировании и эксплуатации искусственных водоемов необходимо проводить тщательную экологическую экспертизу, включающую всесторонний учет современных экологических требований.