CC BY
49
УДК 556.555.2
АНАЛИЗ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЕЙ ВОДЫ НА ТЕЛЕЦКОМ ОЗЕРЕ
А.Т. Зиновьев1, К.Б. Кошелев1, Е.Д. Кошелева1-2
1 Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул 2Алтайский государственный аграрный университет, Барнаул E-mail: zinoviev@iwep.ru, koshelev@iwep.ru, edk@iwep.ru, kosheleva.asau@yandex.ru
По данным на гидрологических постах Росгидромета на Телецком озере эпизодически возникают «обратные» уклоны водной поверхности. Для анализа этой гидрологической ситуации использованы данные наблюдений ИВЭП СО РАН на уровнемерных постах у кордона Чири и поселка Яйлю. Выполнены сценарные расчеты уровней водной поверхности по компьютерной трехмерной гидродинамический модели Телецкого озера. Проведенные исследования показали, что обнаруженные при наблюдениях на озерных постах «обратные» уклоны уровней являются следствием сгонно-нагонных явлений и сейшевых колебаний на Телецком озере.
Ключевые слова: озеро Телецкое, сейшевые колебания, ветровые нагоны.
DOI: 10.24411/2410-1192-2019-15507 Дата поступления 5.11.2019
В практике гидрологических наблюдений иногда возникают ситуации, когда полученные данные выглядят нереалистичными. Например, по данным Обской гидрометеорологической обсерватории установлено следующее: при мониторинге уровней озерных водомерных постов оз. Телецкое обнаруживается, что уровни озерного гидрологического поста первого разряда (ОГП1) Артыбаш порой выше уровней ОГП1 Яйлю, уровни ОГП1 Яйлю не всегда совпадают с уровнями ОГП1 Кокши, уровни ОГП1 Кыгинский залив бывают ниже всех остальных уровней по постам, а иногда уровни ОГП1 Кок-ши ниже уровней всех других постов. Явления носят периодичный характер в течение года. Складывается впечатление, что озеро принимает обратный уклон, что не может быть. Естественно, что такая гидрологическая ситуация требует объяснения.
Цель работы состоит в анализе данных уровнемерных постов Росгидромета на Телецком озере, описывающих проявление «обратного» уклона водной поверхности, с привлечением данных наблюдений ИВЭП СО РАН и результа-
тов численного моделирования уровней озера.
Объект исследования
Телецкое озеро имеет тектоническое происхождение, расположено в северовосточной части Горного Алтая на высоте 434 м над уровнем моря и является самым глубоким водоемом Западной Сибири. Это проточный водоем вытянутой формы, длина которого равна 77,8 км, площадь поверхности -227,3 км2, максимальная ширина -5,2 км, максимальная глубина - 323 м. Объем озера - 41,1 км . Внешний водообмен - 5,3 года [1-2].
В списке глубочайших озер мира Телецкое озеро занимает 39-е место [3]. В водоем впадают около 70 постоянных (16 из них достаточно крупные) и 150 временных притоков, однако основная часть стока поступает в южную оконечность озера через речную систему реки Чулышман (70-75 %); из противоположной северной части озера вытекает река Бия. Основные боковые притоки озера - реки: Кыга, Чири, Большие и Малые Кокши, Корбу, Кымга, Чеченек, Колдор, Самыш, Ойер [1, 4].
Сложный гидрологический режим горного озера обусловлен сочетанием
ряда факторов: специфический лимнологический климат с наблюдающимися почти постоянно горными ветрами в долине озера, значительный внешний водообмен, большая глубина, наличие плотностных течений, ледостав (полным и неполным) в зимний период года. Широко распространены в Телецком озере стоковые, ветровые, гравитационные, конвективные и компенсационные течения, которые оказывают существенное воздействие на процессы формирования температурной стратификации [1]. В научно-информационном издании «Телецкое озеро» отмечается, что «соотношение основного притока и стока по рекам Чулышман (70-75 %) и Бия (98 %), расположенным на противоположных концах озера, соотношение длины и ширины озера определяют уровенный режим Телецкого озера как типично речной...» [4, с. 5].
Сложный ветровой режим озера формируется под влиянием общей атмосферной циркуляции, орографических особенностей местности и разницы температуры воздуха над сушей и водой
[1]. Погода с ветрами бывает более 200 дней в году. На озере наблюдаются два местных типа ветра: «верховка» и «низовка». Направление ветров, дующих в долине Телецкого озера, практически полностью подчиняется направлению самой долины: с северо-востока на юго-запад. Следует отметить, что в осенне-зимний период, когда верховые вторжения воздушных масс совпадают по румбам с местными верховками, стекающими по долинам со склонов окружающих гор, локальные скорости ветра существенно увеличиваются. «Низовка» приходит с севера по долине р. Бия от ее истока к устью Чумышмана. Скорость ветра быстро нарастает, начинается слабое волнение, увеличивается высота и крутизна волн. «Низовка» может проявиться в любое время суток, скорость ветра достигает 20 м/с.
На рисунке 1 приведена схема расположения Телецкого озера с указанными на ней озерными гидрологическими постами (ОГП1) Росгидромета: Артыбаш, Яйлю, Кокши и Кыгинский залив (кордон Чири).
Рис. 1 . Схема расположения озерных гидрологических постов на Телецком озере
Материалы и методы исследования
Для удобства анализа данных наблюдений уровни водной поверхности на озерных гидрологических постах первого разряда Артыбаш, Яйлю, Кок-ши, Кыгинский залив были обозначены через Н1, Н2, Н3 и Н4, соответственно. Проанализированы данные за 214 дней в 2013-2016 гг. для периодов с 1 мая по 30 ноября. В таблице 1 приведены значения максимальных отрицательных разностей уровней на соседних постах с указанием измеренных уровней (относительно «0» поста).
В таблице 2 приведено количество дней с положительными и «обратными» уклонами поверхности между двумя соседними постами для периодов с мая по
ноябрь в 2013-2016 гг. Так, число случаев наблюдения «обратных» уклонов поверхности воды в 2016 г. для соседней пары г/п «Артыбаш-Яйлю» составило 14 % из общего числа дней наблюдений, для пары г/п «Яйлю-Кокши» -40 %; для пары г/п «Кокши-Кыгинский» залив - 48 %.
По данным гидрологических наблюдений на ОГП1 можно заключить, что ситуация с отрицательной разницей уровней на соседних постах не носит периодический характер, а проявляется достаточно произвольно. При этом незначительные отрицательные разницы в 1 см и 2 см составляют большую часть наблюдений с «обратным» уклоном.
Таблица 1
Максимальные отрицательные разности уровней воды на ОГП1 оз. Телецкого за период с 1 мая по 30 ноября для 2013-2016 гг.
Дата Артыбаш Яйлю Кокши Кыгинский залив
Нь см Н2, см Н2-Нь см Н3, см Н3-Н2, см Н4, см Н4-Н3, см
2013
14.10 244 242 -2 238 -4 240 2
18.10 237 237 0 237 0 232 -5
22.11 193 188 -5 190 2 190 0
2014
31.05 548 551 3 546 -5 553 7
11.06 378 377 -1 377 0 360 -17*
12.06 371 369 -2 371 2 354 -17*
13.07 311 308 -3 308 0 309 1
08.09 209 206 -3 205 -1 212 7
18.09 201 198 -3 198 0 206 8
21.10 191 193 2 188 -5 205 17
2015
09.06 368 367 -1 367 0 357 -10
18.06 346 345 -1 345 0 335 -10
04.07 281 277 -4 276 -1 271 -5
08.07 274 272 -2 275 3 265 -10
15.10 216 215 -1 205 -10 207 2
2016
09.05 233,00 235,00 -2,00 237,00 -2,00 234,00 3,00
14.06 447,00 449,00 -2,00 451,00 -2,00 451,00 0,00
16.06 446,00 448,00 -2,00 446,00 2,00 450,00 -4,00
18.06 440,00 440,00 0,00 448,00 -8,00 442,00 6,00
26.06 393,00 393,00 0,00 387,00 6,00 395,00 -8,00
01.11 192,00 191,00 1,00 191,00 0,00 199,00 -8,00
02.11 192,00 190,00 2,00 191,00 -1,00 199,00 -8,00
03.11 192,00 191,00 1,00 190,00 1,00 198,00 -8,00
17.11 178,00 180,00 -2,00 180,00 0,00 180,00 0,00
Примечание -произведенные измерения на ОГП1 Кыгинский залив в 2014 г. вызывают сомнения в соблюдении технологии замеров за период с 9.06 по 7.07 и с 19.09 по 30.10.
Таблица 2
Число дней наблюдения с отрицательной разницей уровней на двух соседних ОГП1 оз. Телецкого за 214 дней (с 1 мая по 30 ноября в 2013-2016 гг.)
Посты Разница уровней на двух соседних постах Отрицательная разница уровней
> 0 -1 см -2 см < -3 см
дни %
2013
Артыбаш - Яйлю 70 71 44 29 144 67
Яйлю - Кокши 148 45 14 7 66 31
Кокши - Кыгинский залив 154 24 20 16 60 28
2014
Артыбаш - Яйлю 143 44 20 7 71 33
Яйлю - Кокши 133 51 20 10 81 38
Кокши - Кыгинский залив 133 21 11 49 81 38
2015
Артыбаш - Яйлю 113 67 24 10 101 47
Яйлю - Кокши 125 46 27 16 89 42
Кокши - Кыгинский залив 72 23 27 92 142 66
2016
Артыбаш - Яйлю 185 25 4 0 29 14
Яйлю - Кокши 129 42 25 18 85 40
Кокши - Кыгинский залив 111 39 25 39 103 48
Так, в 2016 г. число случаев наблюдения отрицательных разниц уровня поверхности воды в 1 см и 2 см для пары г/п «Артыбаш-Яйлю» равнялось общему числу всех наблюдений с «обратным» уклоном, для г/п «Яйлю-Кокши» их количество равнялось 79 % от общего количества таких случаев; соответственно, для г/п «Кокши-Кыгинский» залив - 62 %.
К анализу уровенного режима Те-лецкого озера обращались авторы [1], которые выполнили наблюдения уровней на южной оконечности озера (г/п Кыгинский залив) в 1975, 1976 гг., на стыке меридиональной и широтной части озера (г/п Яйлю) - в 1967-1970, 1976 гг. и на р. Бие в 1,7 км ниже истока (с. Артыбаш) - в 1975, 1976 гг. Несмотря на тот факт, что около 70% объема притока в озеро поступает в его южную часть, а весь сток осуществляется в противоположной северной его части, кривые обеспеченности для уровней, построенные по данным для г/п Яйлю, могут быть отнесены ко всему озеру. Исключением является г/п Артыбаш, где близость к истоку р. Бия создает посто-
янный уклон уровней в 1-3 см. При этом перекосы уровня воды обычно не превышают 2-6 см, в отдельные дни - 812 см. По данным наблюдений для 2016 г. максимальное значение перекоса уровня на соседних постах равно 8 см (см. табл. 1).
При анализе уклонов уровня водной поверхности озерно-речной системы (от устья р. Чулышман до истока р. Бия) «обратные» уклоны уровней на участке озера могут быть объяснены как ветровыми сгонно-нагонными явлениями, так и сейшевыми колебаниями. На качественном уровне понятно, что при расчете среднемесячных и среднегодовых значений уровней на отдельных гидропостах разнонаправленные перекосы уровней приводят к тому, что осреднен-ные данные по уровням для г/п Яйлю могут характеризовать уровенный режим всего озера в целом.
Оценим количественно ситуации, которые могут приводить к «обратным» уклонам водной поверхности озера. Для этого используем материалы ИВЭП СО РАН: данные наблюдений уровня воды Телецкого озера и результаты вариант-
ных численных расчетов уровней водной поверхности по трехмерной (3D) гидродинамической модели Delft3D [5].
Результаты и их обсуждение
Обратимся к наблюдениям сейше-вых колебаний уровня Телецкого озера. В ИВЭП СО РАН получены данные наблюдений в течение трех лет (20152017) на уровнемерном посту у кордона Чири (г/п Кыгинский залив), предназначенном для сбора и передачи в реальном времени гидрологической и метеорологической информации по беспроводным каналам связи на удаленный интернет-сервер. График уровня воды иллюстрирует наличие постоянных сейшевых колебаний в Телецком озере (рис. 2). Длительность представленных на графике наблюдений равна 1440 минут (1 cутки). Изменение уровня воды за счет сейшевых колебаний на 20.06.2017 в начале рассматриваемого периода составляло 2,3 см, в конце периода - 3,4 см; максимальное значение - 3,8 см.
Сейшевые колебания фиксируются на уровнемерном посту ИВЭП СО РАН датчиком с непрерывным ходом наблюдений, а не разовыми замерами уровня в
8 и 20 часов, как принято на гидрологических постах. Во время регистрации на ОГП1 сейшевые колебания уровня на четырех указанных гидропостах (Артыбаш, Яйлю, Кокши, Кыгинский залив) могут быть синхронными или асинхронными.
В случае асинхронности сейшевых колебаний на соседних постах при регистрации уровней в 8-00 или 20-00 может возникнуть как положительная, так и отрицательная добавка к средней разнице уровней на соседних постах на величину до двух максимумов амплитуды сейшевых колебаний. Отметим, что в случаях нарушения временного графика измерений даже при синхронности сей-шевых колебаниях уровня в районах гидропостов можно получить данные, искажающие реальную величину среднего уклона водной поверхности озера.
Отметим, что изменения уровня водной поверхности, обусловленные сейшевыми колебаниями, фиксируемые на уровнемерном посту ИВЭП СО РАН в Кыгинском заливе, соответствуют характеристикам сейш из работы [1] (табл. 3).
Время,
Рис. 2. Динамика уровней воды у кордона Чири:
ось х - время (мин); ось у - уровни водной поверхности (м);отметка «0» графика соответствует
434 м БС. 20.06.2017.
Таблица 3
Характеристики сейшевых колебаний уровня на Телецком озере, 1976 г. [1]
Характеристика месяцы
04 05 06 07 08 09 10 11
р. Бия - с. Артыбаш
Период колебаний, мин. 46 62 53 47 46 44 44
Средняя амплитуда колебаний, см 3,1 2,4 2,9 2,6 1,6 1,8 1,6
Максимальная амплитуда колебаний, см 8,8 5,3 7,1 8,6 4,7 4,2 3,4
пос. Яйлю
Период колебаний, мин. 43 43 43 43 43 43
Средняя амплитуда колебаний, см 1,9 2,8 1,6 2,2 2,1 1,5
Максимальная амплитуда колебаний, см 3,4 7,2 3,2 5,2 6,0 3,8
Кыгинский залив
Период колебаний, мин. 42 41 42 43 43
Средняя амплитуда колебаний, см 2,2 1,0 1,8 1,4 0,4
Максимальная амплитуда колебаний, см 6,6 1,8 4,6 4,0 0,8
Рассмотрим наблюдения по влиянию ветровых нагонов на уклоны уровней водной поверхности озера. В работе [1] отмечается, что при изучении ветровых перекосов уровней в с. Артыбаш (1975-1976) нагоны не фиксировались, а проявлялись сгоны (12 сгонов за 7 месяцев наблюдений) при ветрах с низовья реки, дующих против течения р. Бия. Продолжительность сгонов от 4 до 32 часов. Средняя величина сгона 5,2 см, максимальная - 9,2 см.
В южной части озера (г/п Кыгин-ский залив, 1975-1976) чаще всего «низовки» приводят к нагону, их продолжительность примерно равна продолжительности сгона у с. Артыбаш. Амплитуда колебаний уровня меньше из-за большей ширины озера в этой его части. Наблюдается синхронность и общность процесса изменения уровня при сгоне в Артыбаше и нагоне в южной части озера.
В центральной части озера (пос. Яй-лю) наблюдались как сгоны (причина этого «низовки» - ветра с низовья озера), так и нагоны (причина «верховки» -ветра в направлении стокового течения). Волна сгонов-нагонов имеет транзитный характер и распространяется в широтную часть (с. Артыбаш) при «верховках» и в меридиональную часть (к Кыгинскому заливу) при «низовках».
Нагоны от «низовок» наблюдаются в южной части озера.
Проявление сгонно-нагонного эффекта в Кыгинском заливе отчетливо заметно по графику уровня на рисунке 2. За 1440 мин измерений падение уровня под действием ветра составило приблизительно 3 см. На этом фоне наблюдаются сейшевые колебания уровня.
По компьютерной гидродинамической 3D-модели Телецкого озера [6] выполнены вариантные расчеты уровней воды для следующих случаев: (1) под действием ветровой нагрузки и (2) при наличии сейшевых колебаний.
Результаты первой серии расчетов показали, что численные значения изменения уровня озера при заданных скоростях ветра в районах гидропостов (табл. 1) соответствуют вышеприведенным натурным значениям колебаний уровня в условиях сгона-нагона.
Вторая серия расчетов по 3D-модели Телецкого озера выполнена для изучения влияния сейшевых колебаний на изменение уровня воды. Из экспериментальных работ известно, что период колебания сейш на Телецком озере примерно равен 44 мин и имеет амплитуду около 6 см [1]. Имитационные расчеты сейшевых колебаний выполнены при наложении на суточные данные об уровне воды в замыкающем створе озера (с. Артыбаш) гармонических колеба-
ний с заданными периодом и амплитудой. Численные эксперименты показали, что при задании в замыкающем створе колебаний с амплитудой 6-8 см (что соответствует размаху колебаний от минимума до максимума в 12-16 см) и периодом 45 мин, результаты расчетов (рис. 3) хорошо согласуются с данными натурных наблюдений ИВЭП СО РАН. При этом нестационарное гранич-
ное условие в выходном створе задавалось с шагом по времени 5 мин для летнего периода.
Расчеты показали, что колебания уровней воды у п. Яйлю и р. Чулышман находятся в противофазе, что соответствует натурным данным ИВЭП СО РАН на уровнемерных постах у кордона Чири и поселка Яйлю (рис. 4).
0,57
0:00 6:00 12:00
Время, часы
Рис. 3. Рассчитанные уровни поверхности озера Телецкого у кордона Чири (сплошная кривая) и пос. Яйлю (пунктирная кривая).
Начало оси абсцисс соответствует 31.08.2018 0:00; ноль по оси ординат - 434 м БС.
300 360 420 Время, мин
Рис. 4. Относительные уровни поверхности воды озера Телецкого у кордона Чири (сплошная кривая) и пос. Яйлю (пунктирная кривая) по данным ИВЭП СО РАН. Ноль по оси абсцисс соответствует времени 12:00 18.09.2014.
Заметим, что в настоящий момент по натурным данным невозможно определить абсолютный уровень поверхности воды. Кроме того, при относительно малых расходах р. Чулышман зачастую максимальный уровень воды у г/п Яйлю (ниже по течению) выше, чем максимальный уровень воды в районе устья р. Чулышман (выше по течению). Таким образом, наличие противофазы колебаний уровней воды в районах гидропостов также допускает ситуации, когда уровень воды у г/п Яйлю выше уровня воды в районе Кыгинского залива на несколько сантиметров (см. рис. 4). В тоже время, стандартные измерения уровня воды на ОВП1 два раза в сутки не позволяют по полученным данным объяснить возникающую ситуацию с «обратными» уклонами уровней.
Выводы
Появление по данным ОГП1 на водной поверхности открытого проточного водоема, каким является Телецкое озеро, эпизодических «обратных» уклонов может быть связано как с ветровыми
Работа выполнена в рамках государственного задания ИВЭП СО РАН (проект AAAA-A17-117041210241-4).
Список литературы
1. Селегей В.В., Селегей Т.С. Телецкое озеро. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 142 с.
2. Selegei V., Dehandschutter B., Klerks J., Vysotsky A. Physical and geological environment of Lake Teletskoye // Annales Sciences Geolologiques. - Tervuren, Begique, 200. -V. 105. - P. 1-310.
3. Large Lakes. Ecologicalstructure and function / M.M. Tilzer, C. Serruyo (Eds.). -London; New-York: Springer-Verlag, 1990. - 720 p.
4. Телецкое озеро: науч.-инф. изд. / отв. ред. Е.Ю. Митрофанова, В.В. Кириллов; Ин-т водн. и экол. проблем СО РАН. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. - 28 с.
5. Delft3D-FLOW User Manual / Delft Hydraulics, The Netherlands. - Delft: WL, 2013. - 706 с.
6. Зиновьев А.Т., Дьяченко А.В., Кошелев К.Б., Марусин К.В. Гидрологический каркас экосистемы Телецкого озера // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов: тр. VII Всерос. научно-практ. конф., 29-31 мая 2019 г., г. Пермь. - Пермь: Изд-во ПГУ, 2019. - T.1. - С. 118-121.
References
1. Selegey V.V., Selegey T.S. Teletskoye ozero. - L.: Gidrometeoizdat, 1978. - 142 s.
2. Selegei V., Dehandschutter B., Klerks J., Vysotsky A. Physical and geological environment of Lake Teletskoye // Annales Sciences Geolologiques. - Tervuren, Begique, 200. -V. 105. - P. 1-310.
сгонно-нагонными явлениями, так и сейшевыми колебаниями.
Выполненные по компьютерной гидродинамической 3Б-модели вариантные расчеты уровня воды при сгон-но-нагонных явлениях и сейшевых колебаниях показали, что численные оценки изменения уровней озера соответствуют наблюдаемым значениям колебаний уровня в условиях сгона-нагона и амплитудам сейшевых колебаний. Установленная обратная максимальная разница уровней на соседних ОГП1 в 2016 г. не превышает 8 см, что близко как к данным наблюдений ИВЭП СО РАН, так и рассчитанным изменениям уровня при сгонно-нагонных явлениях и сейшевых колебаниях на Телецком озере.
Таким образом, выявленные при наблюдениях в 8 или 20 часов «обратные» уклоны уровней воды на ОГП1 являются следствием сгонно-нагонных явлений и сейшевых колебаний на Те-лецком озере.
3. Large Lakes. Ecologicalstructure and function / M.M. Tilzer, C. Serruyo (Eds.). -London; New-York: Springer-Verlag, 1990. - 720 p.
4. Teletskoye ozero: nauch.-inf. izd. / otv. red. Ye.Yu. Mitrofanova, V.V. Kirillov; In-t vodn. i ekol. problem SO RAN. - Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2012. - 28 s.
1. Delft3D-FLOW User Manual / Delft Hydraulics, The Netherlands. - Delft: WL, 2013. - 706 c.
6. Zinovyev A.T., Dyachenko A.V., Koshelev K.B., Marusin K.V. Gidrologichesky kar-kas ekosistemy Teletskogo ozera // Sovremennye problemy vodokhranilishch i ikh vodosbo-rov: tr. VII Vseros. nauchno-prakt. konf., 29-31 maya 2019 g., g. Perm. - Perm: Izd-vo PGU, 2019. - T.1. - S. 118-121.
ANALYSIS OF WATER-LEVEL FLUCTUATIONS ON LAKE TELETSKOYE A T. Zinoviev1, K B. Koshelev1, E D. Kosheleva1-2
institute for Water and Environmental Problems SB RAN, Barnaul, E-mail: zinoviev@iwep.ru, koshelev@iwep.ru 2Altai State Agrarian University, Barnaul, E-mail: kosheleva.asau@yandex.ru, edk@iwep.ru
According to the Roshydromet gauging data, occasional reverse water surface slopes occur in lake Teletskoye. For the analysis of this hydrological situation, the observation data (IWEP SB RAS) from gauging stations near Chiri and Yail'u villages were used. The scenario calculations of water surface elevation were performed with the use of a computer three-dimensional hydrodynamic model of lake Teletskoye. The study suggests that the «reverse» water surface slopes appear due to wind-induced surges and seishi fluctuations in lake Teletskoye.
Keywords: lake Teletskoye, seishi fluctuations, wind surge.
Received November 5, 2019
