Проектирование приборов с учетом надежности

Для каждого гидрологического сезона характерна своя устойчивая термическая структура, т.е. распределение тепла во всем объеме озера. Эта термическая структура формируется в начале сезона в прибрежной, мелководной части, в то время как структура предыдущего сезона еще сохраняется в глубоководной части. Рассмотрим как же распределяется температура воды в озере.

Зимой подо льдом в озере устанавливается обратная температурная стратификация (слоистость), при которой температура воды увеличивается с глубиной от примерно 0°С у поверхности до 2-3°С у дна (для крупных равнинных озер), и до 0,5-1°С в мелководных озерах. Но вода на глубинах озера не достигает 0°С и не замерзает, что предохраняет живые организмы от гибели.

Весной температура воды в поверхностном слое повышается, ее плотность увеличивается, что приводит к конвективному перемешиванию и выравниванию температуры по вертикали. Наступает весенняя гомотермия, при t»4°С.

В период летнего нагревания в озере устанавливается прямая температурная стратификация, при которой температура понижается от поверхности ко дну.

Осенью температура поверхностны слоев воды опять понижается и, достигнув плотности большей, чем плотности нижележащих слоев, начинается конвекция, приводящая к осенней гомотермии.

Смена термических структур происходит быстрее на небольших мелких озерах и медленнее – на крупных и глубоких. С инерционностью последних связано одно интересное явление, которое наблюдается весной и осенью и называемое термическим баром.

Оно заключается в том, что между прибрежными водами, нагретыми весной до t выше 4°С, располагается вертикальный или слабонаклонный слой с t=4°С который и называют термобаром.

В этом слое вода, имеющая повышенную плотность, опускается. Термический бар изолирует прибрежные быстро нагревающиеся воды от более холодной воды центральной части озера. Таким образом, он является изолирующим для двух частей озера, водообмен между которыми затруднен, что приводит к формированию в каждой части своего гидрологического режима и к существенным различиям в физико-химических и гидробиологических свойствах водных масс. По мере нагрева воды термобар продвигается к глубоководной части озера и при достижении в ней t=4°С он ликвидируется. Подобное явление наблюдается и осенью при неравномерном охлаждении вод.

Некоторые нарушения в описанные закономерности изменения вертикального распределения температуры воды в озерах могут вносить: сильное ветровое волнение, которое может привести к динамическому перемешиванию, и иногда в мелких озерах, к гомотермии в летний период; антропогенное воздействие, которое может проявляться либо в сбросе сточных теплых вод, либо в искусственном перемешивании вод для обогащения придонных слоев кислородом в зимний период.

Наибольшие различия в распределении температуры воды по вертикали наблюдается в период летнего нагревания. В это время всю толщу подразделяют на 3 зоны (слоя).

1. Наиболее теплый – поверхностный слой воды, который носит название эпилимнион.

^2. Ниже расположен так называемый слой температурного скачка или металимнион. Для этого слоя характерно резкое понижение температуры с глубиной; он относительно тонкий, но разность температур на его верхней и нижней границах может достигать 20°С.

3. Самая нижняя холодная зона – гиполимнион - отличается плавным и незначительным понижением температуры воды. В озерах со слабым перемешиванием эти слои не только отличаются друг от друга температурой, но и являются слоями воды, в которых резко различен химический, газовый и биологический режим.

Указанные особенности термического режима относятся к пресным озерам в условиях умеренного климата (по термической классификации), режим которых наиболее сложен.

По термическому режиму:

1) Полярные – холодные, с температурой в течение всего года ниже 4°С;

2) Тропические – теплые, с температурой в течение всего года выше 4°С;

3) Озера умеренного климата, с температурой ниже 4°С зимой и выше 4°С летом.

Термический режим озер с повышенной минерализацией воды существенно отличается от термического режима пресноводных озер. Летом сильноминерализованные воды могут нагреваться до 50-70°С. Зимой такая вода в поверхностном слое, не замерзая, охлаждается до значительной отрицательной температуры. У дна же может сохраняться в течение всего года положительная температура. Термический режим озер с соленой и солоноватой водой имеют много общего с термическим режимом морей.

Ледовые явления на озерах.

По характеру ледового режима в зависимости от климатических условий озера подразделяются на 4 группы:

- не имеющие ледовых явлений;

- с неустойчивым ледоставом;

- с устойчивым ледоставом зимой;

- с ледоставом в течении всего года.

У озер третьей группы, так же как и у рек, выделяют 3 характерных периода ледового режима: замерзания (осенних ледовых явлений), ледостава и вскрытия (весенних ледовых явлений).

Ледовые явления начинаются после того, как температура поверхностного слоя достигнет точки замерзания – для пресноводных водоемов 0°С.

В больших озерах в период замерзания наблюдаются все первичные ледовые образования свойственные рекам: забереги (или припаи), сало, внутриводный лед. Образованию заберегов и ледостава препятствует ветровое волнение, способное взломать лед до 20-30 см. Период замерзания больших озер растягивается до декабря – января, малые же озера замерзают спустя несколько дней после устойчивого перехода температуры воды через 0°С к отрицательным значениям. Ледостав на них обычно возникает путем срастания заберегов.

Озерный лед имеет слоистое строение. Непосредственно на поверхности воды лежит прозрачный водный кристаллический лед, на котором в случае выхода воды по трещинам из пропитанного водой снега образуется малопрозрачный водно-снеговой лед (налуз). При подтаивании и последующем смерзании лежащего на льду снега формируется снеговой лед.

Толщина льда зависит от суммы отрицательных температур воздуха. На озерах Сибири он достигает величины 2-3 м, а на европейской территории – 50-60 см.

Вскрытие озер происходит также под влиянием 2-х факторов: теплового (под воздействием солнечной радиации) и механического (течения, волнения, ветер). Тепловой преобладает при вскрытии малых озер, которые вскрываются на 8-10 дней позже, чем соседние реки. Большие озера вскрываются позже. Например, озеро Байкал полностью очищается ото льда к середине июня.

Гидрохимический и гидробиологический режим

По минерализации озера могут быть разделены на 3 группы :

1) Пресные или пресноводные – с соленостью до 1 ⁰/₀₀

2) Солоноватые – с соленостью от 1 – 25 ⁰/₀₀

3) Соленые или минеральные – с соленостью более 25 ⁰/₀₀

Наименьшую минерализацию имеют озера зоны избыточного и достаточного увлажнения; в целом минерализация озер увеличивается в направлении с севера на юг от <100 мг/л в озере Байкал до 200-300 г/л в озере Баскунчак.

В этом же направлении закономерно изменяется и химический состав озерных вод (содержания анионов и катионов): воды из гидрокарбонатно-кальциевого в зоне тундры и тайги до сульфатно-натриевого и хлоридно-натриевого в полупустынях и пустынях. Основные группы химических веществ в озерах те же, что и в реках.

Соленость и химический состав воды в озерах изменяются во времени, испытывая сезонные и многолетние колебания. Бессточные озера умеренного климата опресняются весной и осолоняются летом. В сточных озерах колебания солености и химического состава определяются величиной стока из озера.

Химический состав озера может значительно измениться под воздействием сточных вод.

В некоторых соленых озерах вода представляет собой рассол, или рапу, содержащую соли в состоянии, близком к насыщению. Если такое насыщение достигнуто, то начинается осаждение солей и озеро превращается в самоосадочное. Самоосадочные озера подразделяются на карбонатные, сульфатные и хлоридные.

Помимо растворенных солей вода озер содержит: биогенные вещества (соединения азота N, фосфора Р, железа Fe, и др.), растворенные газы (кислород О₂, азот N₂, сероводород H₂S, диоксид углерода СО₂) и органические вещества.

Как и другие водные объекты, озера богаты водными организмами – гидробионтами. По условиям питания гидробионтов, т.е. по трофическим условиям, озера делятся на:

1) олиготрофные - озера (Байкал, Иссык-Куль) с малым количеством биогенных элементов в воде. Это большей частью озера, расположенные среди кристаллических горных пород. Это глубокие озера с прозрачной водой, насыщенной кислородам, что способствует быстрой минерализации органических остатков и приводит к малому содержанию органики в донных отложениях;

2) мезотрофные - озера со средними трофическими условиями;

3) евтрофные - озера с большим содержанием биогенных элементов и органического веществ, сильным развитием фитопланктона. Круговорот веществ неполный и часть органики откладывается на дне, образуя мощные толщи илов. Кислорода много в поверхностном слое (фотосинтез) и почти нет в гиполимнионе. Это обычно небольшие озера лесной и лесостепной зон.

4) дистрофные - озера, содержащие в воде настолько избыточное количество органического вещества, что продукты его неполного окисления становятся вредными для жизнедеятельности гидробионтов. Это преимущественно озера с заболоченным водосбором. В таких озерах наблюдается значительный дефицит кислорода даже летом. Цвет воды в них бурый или желтый. С течением времени эти озера превращаются в болота.

Количество гидробионтов и их видовой состав тесно связаны с физико-химическими особенностями водного режима водоемов. Но и сами гидробионты в процессе своей жизнедеятельности влияют на качество воды. Эти сложные отношения водных организмов и среды и обитания изучает экология – наука и взаимодействии организмов и среды.

Наиболее богата жизнью литораль, кроме участков, подверженных действию волн. Здесь расположена высшая водная растительность – макрофиты, к которым тяготеют разнообразные формы бентоса – обитателей дна.

В озера умеренной климатической зоны гидробиологические процессы имеют выраженный сезонный характер. Весной с повышением температуры воды начинается вегетационный период у макрофитов, а в водной толще – массовое развитие фитопланктона, так называемое первое цветение воды. Во второй половине лета при максимальных температурах - новый период бурного развития фитопланктона и второе цветение воды. За фитопланктоном увеличивается и зоопланктон. С понижением температуры воздуха и воды начинают отмирать макрофиты, надгрунтовые их части, и сокращаться биомасса озера.

Естественная эволюция небольших по размеру озер в условиях холодного и умеренного климата идет по следующей схеме:

Олиготрофные мезотрофные евтрофные дистрофные болота

Процесс трансформации длительный и может приостанавливаться или интенсифицироваться на любой стадии.

В последние десятилетия в результате интенсивного хозяйственного освоения как самих озер, так и их водосборов, естественный процесс эволюции озер ускоряется: происходит антропогенное эвтрофирование. Это связано со значительным поступлением в водоем биогенных элементов, в первую очередь, азота и фосфора, со сточными водами промышленных предприятий, населенных пунктов. Обилие биогенных элементов приводит к бурному развитию фитопланктона («цветению»), ухудшающего качество воды. Вода становится непригодной для хозяйственно-бытового использования. Ухудшаются и условия жизни гидробионтов.

Поступающие в озеро взвешенные, влекомые наносы и растворенные вещества, в результате замедленного водообмена, накапливаются и формируют донные отложения – озеро заиливается. Происходящие в грунтах дна и придонном слое химические и биологические процессы изменяют состав воды, ее оптические свойства, газовый режим.

Донные отложения по характеру слагающих их частиц подразделяют:

- терригенные – продукты водной и ветровой эрозии водосбора, абразии берегов;

- биогенные – остатки гидробионтов;

- хемогенные – продукты химических реакций в водной массе;

По составу донные отложения подразделяют:

- минеральные - песок, минеральный ил, соли;

- сапропели – биогенные илы, т.е. отложения, состоящие из остатков планктона с примесями остатков макрофитов и минеральных частиц. Образуются преимущественно в неглубоких евтрофных озерах лесной зоны. Мощность сапропелей может достигать 20-30 м и более. Их используют в сельском хозяйстве, медицине, промышленности.

- торфянистые – гуминовые илы. Образуются в дистрофных озерах лесной зоны, лежащих в равнинной местности, питающихся стоком малых рек или болот.

Донные отложения имеют слоистую структуру, а слои различаются толщиной и окраской. Это связано с сезонной и многолетней периодичностью в режиме водоемов.

Динамические явления в озерах

При изучении водоемов выделяют особую группу явлений, которые отсутствуют в реках: это волны и течения гравитационного происхождения. Подробно эти явления рассматриваются в разделе «Гидрология океанов и морей», а здесь остановимся на особенностях.

Основной причиной возникновения волн на озерах является воздействие ветра на водную поверхность. Размеры ветровых волн определяются скоростью ветра, продолжительностью его действия, длиной разгона, глубиной водоема и очертаниями береговой линии. Механизм действия ветра на водную поверхность внутренних водоемов, морей и океанов, схож, но в отличие от последних на озерах волны быстро достигают предельных размеров и установившегося состояния. Волнение также быстро затухает после прекращения действия ветра, а волны-зыби (волны, перемещающиеся в водоемах после прекращения действия ветра), характерные для морей и океанов, на озерах бывают редко.

Основными причинами течений в озерах являются ветер, сток рек, впадающих в озеро, неравномерное распределение температуры и минерализации воды, а также атмосферного давления.

Течения характеризуются скоростью и направлением, указывающим куда движутся массы воды.

Течения внутренних водоемов подразделяются:

- ветровые течения, вызываемые действием ветра. Установившееся ветровое течение называют дрейфовым. Ветровые течения охватывают верхний слой воды. Их скорости достигают 50 см/сек. В глубинных слоях развивается противоположные ветровые компенсационные течения со скоростями не более 10-20 см/сек. Направление ветра в озерах обычно совпадает с направлением действия ветра, в отличие от морских ветровых течений, отклоняющихся под действием силы вращения Корриолиса в северном полушарии – вправо, а в южном – влево.

- Стоковые течения, вызываемые наклоном водной поверхности при притоке в озеро или стоке из него. Стоковые течения имеют переменные скорости, наибольшие вблизи устья впадающей реки.

- Плотностные течения, возникающие из-за неравномерного распределения по пространству озера температуры, а иногда и минерализации воды, которое создает горизонтальные градиенты плотности и перекосы уровня. Эти течения сильнее развиты в период нагревания или охлаждения озера, когда различия температур прибрежных и центральных частей достигают максимума. Возникает замкнутая горизонтальная циркуляция водных масс, направленная под влиянием силы Корриолиса в период нагревания – против часовой стрелки, а в период охлаждения - по часовой стрелке. Скорость плотностных течений сопоставимы с ветровыми. Циркуляцией может быть охвачен слой воды до десятков метров (например, на Байкале, до 150 м).

С различными видами движения воды в водоемах (волнением, течениями) связано перемешивание – перенос масс воды из слоя в слой. Вместе с объемами воды перемешиваются и заключенные в них взвеси, растворенные химические элементы, газы, запасы тепла. Перемешивание приводит к равномерному распределению физико-химических и биологических характеристик в охваченных обменом слоях воды.

Основную роль в режиме водоемов играет турбулентное перемешивание, которое бывают 2 видов:

- конвективное, вызываемое различиями в плотности воды. Оно наблюдается в озерах с пресной или солоноватой водой при нарушении плотностной устойчивости водных масс.

- динамическое, вызываемое действиями внешних факторов, чаще всего ветра.

Интенсивность перемешивания связана с мощностью действующих факторов и сопротивлением (устойчивостью) водной массы, изменяющейся по гидрологическим сезонам. Наибольшая устойчивость – летом и зимой, когда плотность воды увеличивается с глубиной. Конвекция возникает в пресных озерах при неустойчивой температурной стратификации – весной и осенью.

Дата добавления: 2015-04-30