Термический режим водоёмов

Цель работы: Приобретение навыков работы с данными по озёрам и водохранилищам, размещенными в «Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши», проведение анализа внутригодового распределения температур по водной толще.

Задание:

1. Построить график распределения температур в водоёме.
2. Дать анализ распределения температур водных масс водоёма и характер стратификации по сезонам.

Озером называется покоящаяся или медленно текущая значительная масса воды в естественной впадине суши, не имеющая непосредственного контакта с морем.

Изменения физического состояния водной толщи озёр в течение года, определяются сезонными изменениями солнечного тепла. Непрерывно совершающийся теплообмен между водной массой водоёма, его ложем и атмосферой предопределяет температурный режим. Наиболее активно теплообмен проявляется в поверхностных слоях водоёма. Более глубокие слои нагреваются путем перемешивания, а также непосредственного проникновения солнечной энергии на глубину. В зимнее время процессы теплообмена с окружающей средой существенно меняются. Наличие льда и снега препятствует лучистому обмену, процессы перемешивания водных масс и течения затухают.

Процессы, обусловливающие нагревание водоёма и его охлаждение, взаимосвязаны и протекают одновременно. В некоторых случаях один процесс усиливает или ослабляет другой. Например, нагревание поверхности водоёма увеличивает испарение, которое в свою очередь способствует охлаждению самой этой поверхности.

Изменение плотности воды зависит от изменения ее температуры. Самые большие изменения такого рода происходят в глубоких озёрах в умеренных климатических зонах. Водные слои термально стратифицируются и меняются местами в соответствии с сезонным циклом. Таким образом, стратификация - это образование слоев воды с разной плотностью и температурой, происходящее вследствие того, что вода имеет наибольшую плотность (соответственно и больший вес) при температуре +4°С. Этим объясняется непромерзание озёр до дна и весенне-осеннее перемешивание воды.

В течение лета более теплая вода в озере имеет наименьшую плотность и поэтому формирует поверхностный слой. Такая стратификация, называемая прямой стратификацией, сохраняется до осени. Затем вода остывает, и температура воды во всём озере становится одинаковой – осенняя гомотермия. Но поскольку свою наибольшую плотность вода приобретает при температуре 4 °С, дополнительное охлаждение зимой делает самую холодную воду наименее плотной, она образует поверхностный слой. Зимняя (обратная) стратификация сохраняется до весны, когда вода на поверхности прогревается, и температура всего озера снова выравнивается – весенняя гомотермия.

Таким образом, при летней и зимней стратификации в озере располагаются два сравнительно стабильных массива воды с минимальным обменом воды между ними поверхностный слой (эпилимнион) и донный слой (гиполимнион) (рис. 8), в котором не

вырабатывается почти никаких питательных веществ из-за недостатка солнечного света. Эти зоны разделены термоклином - весьма стабильной водной зоной (металимнион), температура которой может разниться до 10 °С на протяжении всего нескольких метров в глубину. Этот барьер не только препятствует смешиванию воды поверхностного и придонного слоев, но и вызванной ветром циркуляции и поступлению кислорода из атмосферы в придонный слой.

 

Стратификация определяется глубиной и размерами озера и географическим положением. Чем глубже и больше озеро, тем лучше выражена стратификация. Если же озеро неглубокое и небольшое, то слой перемешивания достигает дна и температура воды

Рисунок 8. Вертикальные термические зоны в водоёме

 

оказывается однородной по всей толще озера. В большинстве озёр в зависимости от климатических особенностей региона стратификация устанавливается один или два раза в год или же вообще не устанавливается на более или менее заметный срок. Однако стратификация других озёр сохраняется постоянно, обычно вследствие того, что плотность глубинных вод повышается не за счёт температурных различий, а скорее из-за более высокой концентрации растворенных химических соединений. Такие озёра, в отличие от периодически полностью перемешиваемых, называются частично перемешиваемыми, поскольку в нижнем слое перемешивание не происходит. Такой же слой может существовать в очень глубоких озёрах, как, например, Танганьика, где сезонная динамика температур воздуха протекает достаточно быстро и вода в озере не успевает полностью перемешаться.

Свойство озёр накапливать тепло в течение лета и отдавать его зимой может оказывать существенное смягчающее воздействие на местный климат. Это особенно справедливо для крупных озёр.

 

Порядок выполнения работы

Данные о температуре воды находятся в справочниках «Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши», в которых приведены сведения о распределении температуры по глубине водоёмов на рейдовых вертикалях в наиболее репрезентативных вертикалях гидрологических разрезов, отражающих основные особенности термического режима водоёма. В Ежегодник включены результаты измерений на стандартных и дополнительных горизонтах. По оз. Байкал данные приводятся для верхнего 200-метрового слоя. Данные в справочнике приводятся округленными до 0,1°С, вне зависимости от точности измерений.

Пример: На стр. 66 справочника «Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши» выпуск - Т. 1, Вып. 13-14, за 1988 г. была выбрана рейдовая вертикаль 133 с глубиной 300 м. Результаты полевых измерений температуры воды в оз. Байкале на разных глубинах представлены в таблице 8.

Данные таблицы 8 послужили основой для построения графика распределения температур воды в оз. Байкал на различных вертикалях.

Рекомендация: Для удобства выполнения контрольных заданий кривые распределения температуры воды по глубине, построенные по данным зимнего сезона следует строить разными цветами. Например: зимние кривые синим цветом, весенние – зеленым, летние – красным, осенние – желтым или оранжевым.

Таблица 8

Температура воды на различных глубинах, °С

Глубина, м	Дата
11/02	09/06	30/07	11/08	19/09	10/11
0,1	0,0	3,4	9,5	14,7	12,0	4,6
	0,2	3,3	8,1	14,6	12,0	4,8
	0,4	3,3	7,5	13,6	11,8	4,8
	0,5	3,3	7,4	12,4	11,8	4,8
	0,5	3,4	7,2	10,6	11,8	4,8
	0,6	3,4	6,8	8,9	11,7	4,8
	0,6	3,4	6,5	5,6	11,7	4,8
	0,7	3,4	6,4	5,3	11,6	4,8
	0,8	3,4	6,3	5,0	11,5	4,8
	0,9	3,4	6,0	4,8	11,3	4,8
	1,0	3,4	5,5	4,7	11,0	4,8
	1,1	3,4	4,9	4,6	5,2	4,8
	1,2	3,4	4,7	4,4	4,7	4,8
	1,8	3,4	4,4	4,2	4,5	4,8
	2,4	3,4	4,1	4,0	4,2	4,8
	3,2	3,3	3,8	3,7	3,8	3,8

 

Анализ графика распределения температуры воды (рис. 9) показал следующие особенности термического режима озера:

Февраль: 11 и 26 – в озере наблюдается обратная термическая стратификация, температура воды варьирует от 0,0°С на глубине 0,1 м до 3,2-3,4°С на глубине 200 м.

Июнь: 9 – период весенней гомотермии, температура по вертикали составляет 3,3-3,4°С.

Июль: 30 – в озере установилась прямая термическая стратификация, на глубине 0,1 м температура составляет 9,5°С, плавно понижаясь до 3,7°С на 200-метровой отметке.

Август: 11 – прогрев озера возрастает, температура воды у поверхности (на глубине 0,1 м) прогревается до 14,7°С, понижаясь до 3,7°С на глубине 200 м. В слое температурного скачка, расположенного в пределах глубины 18-25 м, градиент температуры составил 0,8°С на 1 м.

Сентябрь: 19 – в озере все еще отмечается прямая термическая стратификация, температура понижается от 12,0°С у поверхности (0,1 м глубины) до 3,8°С на 200 м.

Ноябрь: 10 – на Байкале устанавливается осенняя термическая стратификация с температурой 4,6-4,8°С до глубины 100 м.

 

Рисунок 9.Распределение температуры воды в озере Байкал на рейдовой вертикали 133 (1988 г.)

Рекомендуемая литература

1. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д., Добролюбов С.А. Гидрология. М.: Высш. шк., 2005. 463 с.

2. Богословский Б.Б. Озероведение. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1960. 335 с.

3. Орлов В.Г., Сикан В.Г. Основы инженерной гидрологии. СПб.: РГГМУ, 2003. 187 с.

4. Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь /Под ред.А.И. Бедрицкого, СПб.; М.: Летний сад, 2008, 2009. – Т.1-3.