Показатели состояния водных масс водоема

Водосбор

Определение объема годового стока (V_ст.)с водосбора, м³:

V_ст = a ∙ S_вод ,

где a – объем стока водосбора за год с 1 м², м³/м²·год; S_вод - площадь водосбора.

Показатель площади озера (К) - соотношение площадей озера и водосбора:

где S_вод - площадь водосбора; S_о - площадь озера.

Если преобладает S_вод, то водный баланс водоема определяется процессами водообмена в бассейне. И, наоборот, если площадь озера велика, то водный баланс в значительной мере обусловлен водообменом через зеркало озера.

Показатель удельного водосбораХальбфасса (Δ F) представляет собой обратное отношение площади водосбора к площади озера:

где DF – удельный водосбор; S_вод - площадь водосбора; S_о - площадь озера.

Величина DF позволяет оценить размеры водосбора водоема: DF < 5 – озера с очень малым водосбором, DF < 10 – озера с малым водосбором, DF = 10-50 – озера со средним водосбором, DF > 100 – озера с большим водосбором, DF > 1000 – озера с очень большим водосбором. С удельным водосбором связана продолжительность подъема и спада половодья, его высота. В малых водоемах половодье выражено резко, и, наоборот, при большей площади зеркала половодье распластывается, т.е. интенсивность подъема и спада уменьшается, а продолжительность возрастает.

Водный баланс

Водный баланс характеризует соотношение питания и потерь воды озеровидных водоемов. Он определяет величину водной массы озер, ее колебания во времени, т.е. гидрологический режим водоема.

Водный баланс водоема складывается из прихода (вода притоков, смыв с водосбора, атмосферные осадки) и расхода (сток, испарение). Водный баланс определяется климатом, рельефом. Величины испарения и осадков находятся в прямой зависимости от климата, а приток и сток воды в большей мере связаны с морфологическими характеристиками водоема.

Определение показателей водного баланса ведется расчетным методом на основе приведенных выше морфометрических характеристик водоема. Воднобалансовые расчеты проводят за календарный год, гидрологический год, холодное полугодие (ноябрь-апрель), теплое полугодие (май-октябрь).

При учете составляющих приходной и расходной части водного баланса в объемных единицах уравнение можно представить в следующем виде:

Х + У_пр + У_гр + К – У_ст – У_ф – Е – Р = ±DV + Н,

где Х – атмосферные осадки на поверхность озера, определяется по данным метеостанций; У_пр – поверхностный приток в озеро; У_ст – поверхностный сток из озера, отсутствует в бессточных озерах; К – конденсация паров на зеркало, обычно мала и трудно поддается учету, часто ею пренебрегают в расчетах; Е – испарение с водной поверхности (табл. 1); Р – забор воды для хозяйственных целей; DV – изменение объема воды озера за расчетный период; У_гр – подземный приток в озеро; У_ф – подземный сток (фильтрация) из озера, отсутствует в бессточных озерах. Величины подземных составляющих водного баланса (У_гр, У_ф) невелики по сравнению с остальными компонентами, в крупных водоемах они составляют 1-5%. Существенную роль подземные сток и приток играют в карстовых водоемах.

Для Нижнего Новгорода характеристика испарения (Е) почвенно-климатических зон представлены в табл. 1.

Район	Кх	Годовая сумма испарения Zо, мм	Распределение годового испарения по месяцам (Рz по удельному весу)
IV	V	VI	VII	VIII	IX
Санкт-Петербург, Москва, Брянск	0,25	500-600	0,10	0,18	0,19	0,18	0,15	0,10
Нижний Новгород, Пермь	0,20	500-600	0,10	0,18	0,20	0,20	0,18	0,10
Рязань, Ульяновск	0,10	600-700	0,08	0,17	0,19	0,20	0,17	0,12
Воронеж, Самара	0,10	700-800	0,07	0,15	0,18	0,20	0,18	0,12
Ростов, Волгоград	0,10	800-900	0,09	0,15	0,15	0,18	0,17	0,12
Крым, Краснодар	0,10	800-900	0,09	0,13	0,14	0,17	0,16	0,12
Ставрополь, Элиста, Гурьев	0,03	900-1000	0,09	0,13	0,14	0,17	0,16	0,12
Коэффициент перехода*	-	-	1,2	2,8	2,0	1,9	1,5	1,5

 

*Коэффициент перехода от испарения с открытой водной поверхности к сумме испарений и транспирации с заросшей части водоема.

 

Отличительной особенностью водного баланса озер зоны умеренного климата (леса, лесостепи) является доминирование речного притока с водосбора (приходная часть баланса) и стока водоемов (расходная часть баланса), т.е. озера этой зоны, как правило, сточные. На долю этих компонентов баланса приходится 70-90%.

Водообмен

Показатель условного водообмена (К_в) является вторым, наряду со средней глубиной водоема, гидрологическим показателем. Показатель условного водообмена показывает, сколько раз в течение года сменяется полный объем вод озера, т.е. замещение заполняющих котловину вод новыми. Способ вычисления показателя условного водообмена предложен С.В.Григорьевым, А.Г. Люллиным:

К_в = ,

где V_ст – сток за промежуток времени; V_в – средний объем водоема за тот же период времени.

Показатели условного водообмена озер и водохранилищ в зависимости от водного баланса изменяются в широких пределах. Очень малый условный водообмен соответствует величине К_в<0,25; малый – 0,25-1; средний – 1-4; большой – 4-16; очень большой>16:

- для крупных глубоких озер (Ладожское, Онежское) К_в=0,05-0,07, т.е. обновление воды происходит за 15-20 лет, а в оз. Байкал при К_в = 0,002-0,003, смена воды осуществляется за 312 лет;

- для малых сильно проточных водоемов при К_в > 1000, вода в среднем обновляется несколько раз в сутки.

Обратное соотношение (V_в/V_ст) называется периодом водообмена, т.е. время, в течение которого произойдет полный водообмен. Период условного водообмена или период условного возобновления вод (t_В) – величина, обратная коэффициенту условного водообмена Григорьева:

t_В=1/К_В.

Величина t_В характеризует время, в течение которого произойдет полная замена вод водного объекта. При К_В>1 величина t_В измеряется в годах, если К_В<1 – в долях года вплоть до суток.

Коэффициент условного водообмена К_в или коэффициент проточности озера рассчитывается по формуле:

где К_в - коэффициент условного водообмена, в %; V_c - объем стока (притока), м³; V_в - объем водоема средний, м³.

Полный условный водообмен (К_аб), который обычно рассчитывается в среднем на год, соответствует интенсивности водообмена:

К_аб = ,

где V_б – объем вод, участвующих в водообмене; V_в – средний объем вод водоема.

Если К_аб = 3, т.е. обмен идет трижды в год. Если К_аб = 0,25, то ежегодно обменивается лишь четвертая часть вод, т.е. полный обмен идет за 4 года. Полное перемешивание воды притоков с водой озера считается идеальным. Полное перемешивание воды водоема и вод притоков в умеренной зоне происходит только в весенне-осенний период.

Показатели удельного водосбора (ΔF) и условного водообмена тесно связаны обратной зависимостью со средней глубиной озера (Н_ср), а также с его объемом (V_о) и площадью (S_о):

где S_вод - площадь водосбора.

Величина водообменности сточного водоема (Д) представляет собой следующее отношение:

где V – объем водоема, м³; W – объем годового стока водоема, м³.

Величина Д показывает скорость обновления водных масс водоема: чем больше Д, тем медленнее обновляются водные массы.

3.4 Методы морфометрической оценки озера

Полевые методы

Съемка плана озера

Оборудование: лодка, буссоль (линейка, компас, булавки) с подставкой, вехи, колья, рулетка, размеченная веревка, бумага, ручка, карандаш.

Рис. 2. Буссоль

 

Буссоль с подставкой используется для измерения базисной линии или базы АВ и угла L – отклонение от показаний стрелки компаса (рис. 2). По берегам озера расставляются вехи А, Б, В, Г, Д, М, Н и др. Длина базы АБ измеряется с помощью буссоли (определение направления от т. Б к т. А), рулетки и кольев, устанавливаемых через каждые 20 м (рис. 4). Положение вех противоположного берега определяется пересечением направлений, например, БВ м АБ, определяемых буссолью. Полученные точки вех при соединении образуют контур противоположного берега. Линия ближнего берега, на котором расположена база АВ, определяется углом b между его вехами М, Н и др. и базой АВ. Полученные контуры наносятся на план с указанием сторон света.

Измерение глубины озера

Оборудование: лодка, буссоль, лот, бумага миллиметровая, ручка или карандаш, калька, циркуль, транспортир, калькулятор.

На чертеже план озера размечается параллельными взаимно перпендикулярными линиями (рис. 3). Пересечения линий являются точками измерений глубины, местом возможного отбора проб.

Рис. 3. План измерения глубин озера		Рис. 4. Схема съёмки плана озера с помощью буссоли

Первый промер производится в 3-4 м от берега, второй – через 10 гребков и т.д. Полученные глубины наносятся на план. Черновой чертеж-план масштабируется и используется для вычерчивания изобат, профилей озера, определения длины береговой линии, площади водного зеркала.

 

3.5 Методы камерального определения площадей

и объемов водоемов

Картографический метод вычисления площади водосбора водоема Определение ведется с применением соответствующих карт, палетки, планиметра, циркуля, весов, микрокалькулятора.

Циркуль. Установленным раствором циркуля (2 мм) измеряют:

- длину береговой линии, l_о,

- длину всех изобат,

- длину огибающей озеро линии, l_о′, - кратчайшая выпуклая линия, проведенная по контуру озера.

Палетка – прозрачный расчерченный на квадраты лист, который используется при определении площади. Палетку накладывают на план озера или водосбора на карте и подсчитывают число целых квадратов в контуре водоема и части квадратов. Суммирование квадратов при учете масштаба дает величину площади водного зеркала водоема или водосбора.

Планиметр. Применяется для измерения площадей зеркала озера и площадей, ограниченных изобатами. Определяется цена деления планиметра (С₁) и переходный коэффициент (С): С = С₁ ^. М, где М – число м² в 1 см² на плане данного масштаба. Искомая площадь (р) составляет в этом случае:

р = n_ср ^. С,

где n_ср – средний показатель планиметра из 3-х измерений.

Весовой метод вычисления площади озера

Весовой метод вычисления площади связан с взвешиванием листа бумаги с контуром озера и без него. Площадь озера оценивается по пропорции:

 

Далее полученная величина масштабируется.

Соотношение площадей зон озера определяется планиметрированием площадей или весовым способом с учетом масштабов чертежа. Точность расчетов в этом случае зависит от точности съемки глубин.

Расчётные методы морфологических показателей котловины

Показатель емкости озерной котловины ( К_ф ):

Средний уклон дна (i) определяется по формуле:

где α – средний уклон дна; ∑l – сумма длин изобат; h – сечение изобат; S_о – площадь водоема.

Площадь дна (S_g) определяется по формуле:

Показатель формы озерной котловины ( С ):

где h_о – расстояние по вертикали от поверхности озера до центра тяжести при одинаковой плотности воды во всем водоеме и составляет:

где Н – глубина; dV – элементарный объем; V – объем воды озера.

Графический метод определения площади дна и объема воды

Определение площадей зон озерного дна и объема соответствующих масс можно произвести достаточно точным графическим методом с погрешностью 5-7%. Графический метод определения объема водоёма связан с построением батиграфической кривой (рис. 5 ). Её вертикальная ось представляет шкалу глубин озера от 0 до Н_max, м, а горизонтальная ось - шкалу площадей, ограниченных изобатами, м².

На основе построенной батиграфической кривой определяется объем водоема. На рисунке батиграфической кривой строится объемная кривая, в этом случае на горизонтальной оси располагается дополнительно шкала объемов. На линии соответствующих изобат откладывается объем воды, расположенный под этой изобатой. Затем на этом чертеже строится объемная шкала водоема путем проектирования на горизонтальную прямую (рис. 5).

Объемная шкала используется для расчетов количества тепла, кислорода и других химических элементов, содержащихся в воде. В этом случае планиметрируется площадь между осями координат и батиграфической кривой с последующим умножением ее величины на единицу площади в масштабе чертежа. Единица масштаба определяется путем перемножения масштабом значений вертикальной и горизонтальной шкал. Объемы отдельных слоев определяются аналогично по площадям, соответствующим им на чертеже. Затем полученные объемы суммируются. Для сложных конфигураций котловин подобные расчеты ведутся для каждого плеса отдельно.

V, м3

S, м2

батиграфическая кривая   объемная кривая

 

Нmax

 

 

Рис. 5. Батиграфическая и объемная кривая озера по Богословскому Б.Б.

 

Объем водной массы вычисляется методом конусов или методом призм. Метод призм используется чаще на базе учета изобат (рис. 6)

V₁=h

V1

V2

V3

S3

S2

h1

h2

h3

S4

V_общ=V₁+V₂+V₃+…+ V_n

 

где: h – глубина,

V – объем,

S – площадь.

 

 

Рис. 6. Схема вычисления площади водного зеркала и объема воды водоема методом учета изобат, ориг.

 

Река как водный объект

Река представляет собой водоток, текущий в разработанном им русле, питающийся стоком атмосферных осадков и являющийся транспортной системой ландшафта. Морфометрия реки определяется характером истока, строением речной долины, степенью врезания русла, характером устья при впадении в приемный бассейн.

Долина реки представляет собой полую форму рельефа земной поверхности, создаваемая эрозионной (размывающей) деятельностью текущей воды под влиянием вращения Земли. Для равнинных рек характерны долины с плоским дном. Дно и склоны долин часто имеют уступы или террасы и несимметричный поперечный профиль. Основными процессами в развитии долин являются углубление и расширение, размыв и формирование склонов.

Формирование истока большинства рек Земли связано с процессом таяния ледника, реже выходом подземных вод (родников). Понятие истока реки четко не определено. Река может быть образована слиянием двух рек, такие реки называются двурогими и считается, что у них нет истока. Среди известных рек Земли к таким рекам относятся Амазонка, Ганг, Нил, Обь, Амур и др. Началом реки может быть озеро (например, Ангара и Байкал) или болото, что также не является истоком.

Русло представляет собой наиболее углубленную часть современного днища долины, по которой постоянно протекает поток. Форма русла определяет рисунок реки. Основными элементами русла являются меандры (излучины), острова и затапливаемые осередки, плесы и перекаты, долинные гряды. Характерным признаком реки является устойчивость русла, которая определяется характером грунта, в пределах которого водный поток прокладывает свой путь к приемному бассейну. Енисей характеризуется устойчивым руслом, которое сформировано на относительно неразмываемых скалистых и крупногалечных грунтах. Большинство рек Русской равнины, например, Волга обладают менее устойчивым руслом, но размыв и намыв грунта, т.е. формирование перекатов в основном приурочены к одни и тем же местам/ Наименее устойчивым руслом отличаются горные реки, русло которых сильно меняется вследствие схода селей.

Устье реки представляет собой место непосредственного впадения реки в приемный бассейн (море, озеро). Это зона взаимодействия вод реки и моря. Устьевой участок реки может быть однорукавым (бездельтовым) и многорукавным (дельтовым). Однорукавный бездельтовый устьевой участок или эстуарий (в РФ – губа) часто представляет собой глубокий, узкий залив, подверженный приливно-отливным морским течениям. Наличие бездельтового устья характерно для рр. Мезень, Енисей, Обь и др.

Отлагая в устье наиболее крупные наносы, реки часто формируют в своих устьях конусы выноса - дельты. Отложение наносов как результата твердого стока рек являются источником роста дельты и ее выдвижения в море. Для дельты характерно наличие сложной изменчивой сети водотоков (рукавов) и водоемов, периодически затопляемых низменных земель, зарослей влаголюбивых растений. Типичная выдвинутая дельта отмечена для р. Волги. Наиболее крупная дельта характерна для рр. Ганг и Брахмапутра.

Накопление наносов является признаком старения рек, обычно начинающегося с устья реки и проявляющегося в виде формирования дельт, уменьшения уклона, наличия русловых тромбов и т.п. В итоге по руслу реки появляются признаки обмеления, формируются островки, отдельные потоки, берега из собственных наносов.

4.1 Водосборный бассейн реки