CC BY
235
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ И ВОДНЫЙ БАЛАНС ОЗЕРА БЕЛОЕ
И В. Космаков*, В Ф. Космакова**
•Научно-исследовательское предприятие по экологии природных систем (НИП ЭПРИС, “Красноярский научно-исследовательский
центр Среднесибирского УГМС
Рассмотрен гидрологический режим и водный баланс озера Белое. Получены эмпирические формулы для определения температуры поверхности води И вочдуха над водой, скорости ветра, парциального давления водяного пара и испарения. Приведен многолетний водный баланс озера.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОЗЕРА
Озеро Белое расположено в бассейне р. Сереж, являющейся притоком р. Чулым. Окружающая местность представлена массивом озер и болот, расположенных в слабохолмистой лесостепи, переходящей на юге и западе в горно-таежную область отрогов Кузнецкого Алатау. Северный и южный берега озера низкие, заболоченные, заросшие камышом и тростником Западный берег озера гористый, обрывистый, покрыт смешанным лесом. Восточный берег представляет собой холмистую степь с пахотными угодьями и куртинами лиственных деревьев и кустарников.
Озеро представляет собой вытянутый и несколько искривленный эллипс, длинная ось которого на севере отклоняется к западу, на юге - к востоку. Площадь водосбора озера равна 1510 км2. Длина озера -18 км, наибольшая ширина составляет 5 км, глубина - около трех метров. Площадь поверхности воды озера равна 74,8 км2, объем - 196 млн м3. Берег слабо изрезан, длина береговой линии - 41 км.
Ложе озера - блюдцеобразное, рельеф дна ровный
По характеру водообмена озеро Белое относится х проточным озерам, в него впадают четыре реки и ряд ключей, а вытекает одна река Сереж (рис. 1).
Климат в бассейне озера резко континентальный. Средняя годовая температура воздуха здесь изменяется от 0,4“С до -1,2°С. Температура воздуха самого холодного месяца, января, колеблется от -16“С до -19,5°С, а самого теплого, июля, - от 17,2сС до 17,7°С.
Устойчивый переход температуры воздуха через 0°С весной обычно происходит в середине апреля, а осенью - в середине октября.
Ветер в районе озера преобладает западных и южных направлений, его скорость обычно колеблется в пределах 2-4 м/с. Наибольшие значения скорости отмечаются в переходные периоды: весной - в ап-реле-мае и осенью - в октябре-ноябре. Величины скорости более 15 м/с наблюдаются по 2-4 дня почти ежемесячно.
Наблюдения за уровнем и температурой воды у берега на озере Белое были начаты в августе 1933 г. В течение 1977-1988 гг. на акватории водоема Шары-повской экспедицией Красноярского УГМС производились наблюдения за метеоэлементами, за испаре-
Рис. 1. Температура поверхности воды оз. Белое 4 июля 1980 г.
нием с помощью плавучего испарителя ГТИ-3000 и за температурой воды как на поверхности, так и по глубине.
ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ
Первые ледовые образования на озере наблюдаются в среднем 20 октября, а 27 октября уже устанавливается ледовый покров. Период ледостава продолжается 184 дня, а иногда и более 200 суток Самое позднее замерзание отмечалось 39 ноября 1971 г. Полностью очищается поверхность воды от льда 13 мая. Период свободный от ледяных образований составляет от 130 до 189 дней, в среднем -160 суток (табл. 1).
С момента образования ледового покрова его толщина быстро растет и к середине февраля достигает 100 см, а к концу зимы в отдельные годы превышает 140 см. Снежный покров на льду обычно невысокий (10-20 см), однаю в первые месяцы ледоставного
Таблица 1
Средние многолетие характеристики ледовых явлений на оз. Белое
Характеристика Дата начала ледообразования Дата ледостава Дата очищения от льда Продолжительность периода
ледостава свободного от льда
Средняя 20.10 27.10 13.05 184 160
Ранняя (наибольшая) 1.10 12.10 26.04 229 189
Поздняя (наименьшая) 6.11 19.11 31.05 150 130
периода (ноябрь-декабрь) его высота может быть значительной и достигать 40-50 см.
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ОЗЕРА
Термический режим озера не отличается значительными особенностями. Начало периода весеннего нагревания приходится на конец марта - начало апреля, когда устанавливается положительный тепловой поток В это время начинается уменьшение толщины льда на озере, а температура подо льдом может повышаться до 0,4-0,5 °С [6]. Нагревание поначалу идет медленно, но после очищения поверхности воды от льда (в среднем 13 мая) температура воды повышается очень быстро, и уже 15 мая ее значения у берега переходят через 4°С (табл. 2).
После окончательного перехода температуры воды через 4СС начинается период летнего прогревания и уже 29 мая значения температуры воды переходят через 10°С. Нагрев продолжается, в среднем, до конца второй декады июля, а наибольшая температура воды достигает 29°С. Характер распределения температуры поверхности воды в период наибольшего нагрева представлен на рис. 1.
Характерной особенностью периода летнего прогревания является наличие прямой температурной стратификации, которая время от времени нарушается воздействием ветра. В этом случае вертикальные градиенты температуры воды резко уменьшаются, иногда до 0°С/м. При штиле и ясной погоде нагревание поверхности воды идет очень интенсивно. В этом случае градиент температуры воды по глубине может превышать 2°С/м. Так, 4 июля 1980 г. различие значений температуры воды на поверхности и у дна составило 6°С, градиент при этом был равен 2,4°С/м.
После того, как тепловой поток на поверхности озера становится отрицательным, начинается период охлаждения. При этом отметим, что с ранней весны и до сентября продолжается аккумуляция тепла грунтами, слагающими дно озера. При температуре воды менее 16°С охлаждение происходит в условиях близ-
ких к гомотермии. Окончательный переход значений температуры воды через 4° С происходит 9 октября.
20 октября на озере появляются первые ледовые образования, а 27 октября устанавливается прочный ледовый покров. С этого момента начинается повышение темпершуры воды подо льдом в связи с теплопри-током ог грунтов дна в воду. При этом температура воды у дна может превышать 3°С. Затем до начала весны идет медленное понижение температуры воды подо льдом.
ИСПАРЕНИЕ С ПОВЕРХНОСТИ 01ЕРА
Испарение с поверхности водоемов является одним из важных компонентов расходной части уравнения водною баланса. Доля испарения при значительной площади водной поверхности, по сравнению с другими компонентами, может быть велика.
Для оценки испарения чаще всего используются эмпирические и полуэмпирические формулы, основанные на использовании данных гидрометеорологических наблюдений.
Обычно испарение с озер (Е, мм), в соответствии с работами [2-5,7], расспггывается по формуле ГГИ:
Е - 0,14-ту (ео - е2) (1 + 0,72-\Уг), (1)
где ео - максимальное парциальное давление водяного пара, определенное по температуре поверхности воды в озере, гПа; е2 - парциальное давление водяного пара в воздухе на высоте 2 м над поверхностью воды, гПа; - скорость ветра над озером на высоте 2 м, м/с; т| - количество суток в расчетном периоде.
Температура поверхности воды озера Белое нами определена по полученной связи между' средней температурой поверхности воды озера (Т), определенной по данным термических съемок, и температурой воды у берега (Т,), поданным водомерного поста Корнилове. График связи имеет вид прямой линии (рис. 2), теснота связи характеризуется коэффициентом корреляции, равным 0,99, а уравнение выглядит следующим образом:
Таблица 2
Даты перехода температуры воды чере! фиксированные градации
Характеристика Даты перехода значений тсмнерагуры коды через градации
весной осенью
0.2°С 4°С 10°С 10°С 4°С 0.2°С
Средняя 30.04 15.05 29.05 20.09 9.10 27.10
Ранняя 9.04 23.04 11.05 4.09 29 09 11.10
Поздняя 17.05 5.06 25.06 6.10 6.11 16.11
Рис. 2. Зависимость средней температуры поверхности озера от температуры поверхности воды на береговых постах: 1 -Корнилове; 2 - Белоозерское
То= 1,1*Т1-0,7- (2)
Эмпирическая зависимость парциального давления водяного пара в воздухе на высоте 2 м над поверхностью воды (е2) от парциального давления водяного пара (е,), измеренного на метеорологической станции Шарыпово, находящейся в 20 км к западу от озера, получена на основании полевых и экспедиционных исследований Шарыповской экспедиции и НИЛ “ЭПРИС”. Аналитическое выражение этой зависимости имеет вид:
е2 = 0,0132-е,2 + 0,537,е1 + 4,25. (3)
Индекс корреляции этой зависимости, как мера тесноты связи, равен 0,95.
При определении скорости ветра над водной поверхностью нами использован общепринятый метод [2, 4, 5, 7], при котором скорость ветра на высоте 2 м над водой (\У2), определяется по уравнению
W2 = K1•K2•KJ•W1, (4)
где V/, - скорость ветра на метеостанции Шарыпово по флюгеру, м/с; К, - коэффициент, учитывающий степень защищенности метеорологической станции; К2 - коэффициент, характеризующий рельеф вместе расположения станции; К^ - коэффициент, зависящий ог средней длины разгона воздушного потока над водоемом и защищенности берегов водоема растительностью.
Для условий озера Белое формула (4) выглядит следующим образом:
\У2 = 1,24ЛУ(. (5)
По данным экспедиционных исследований, отношение средней скорости ветра за период наблюдений, измеренной на высоте 2 м над водной поверхностью, к средней скорости ветра за этот же период, измеренной на метеорологической станции Шарыпово, равно 1,24, что подтверждает субъективную оценку коэффициента в формуле (5).
В формуле Р.И. Гета [1]
Е = (0,183 - 0,00072-Т)-(ео - е2) \У20-881, (6)
где Т = 0,5-(То + Т2), То - температура поверхности воды озера, Т, - температура воздуха на высоте 2 м над водной поверхностью, которая нами определена по зависимости
^=0,949^ + 1,6 (7)
от Т1 - температуры воздуха на метеорологической станции Шарыпово
Теснота связи по уравнению (7) характеризуется коэффициентом корреляции 0,99, а разница между фактическими и рассчитанными значениями температуры воздуха над озером находится в пределах ог -0,6 до +0,8°С и не превышает 5,2%.
Имеющиеся данные позволили установить эмпирическую связь между значениями испарения на плавучем испарителе (Е) и показаниями испарителя ГГИ-3000, установленного на суше в г. Назарово (Ен). Теснота полученной прямолинейной связи характеризуется коэффициентом корреляции 0,99 (рис. 3), а уравнение имеет вид:
Испарение с испарителя в грунте, мм
Рис. 3. Связь значений испарения с водной поверхности испарителей, установленных в Белом озере и в грунте на территории г. Назарово
Е0 = 1,59Е1(+ 1,21. (8)
Для определения испарения с водной поверхности озера Белое уравнение (8) запишется следующим образом:
Е= 1,54-Е,+ 1,17. (9)
Формула (9) пригодна для расчетов испарения с поверхности водоема с июня по сентябрь. В табл. 3 приведены значения испарения с поверхности воды озера Белое, рассчитанные по разным формулам.
Таблица 3 Средний слой испарения с поверхности оз. Белое, ха 1979-1989 гг., мм
Формула VI VII VIII К Сумма
(1) 120 145 112 50 427
(2) 123 141 108 52 424
(9) 131 137 113 73 454
Сравнение полученных значений испарения позволяет судить о достоверности рассчитанных параметров, входящих в формулы (1) и (6), и дает основание считать правильными расчеты, выполненные по формуле (1).
ВОДНЫЙ БАЛАНС ОЗЕРА
Основной задачей данной работы является оценка притока подземных вод в озеро в связи с проектируемым водозабором из месторождения подземных вод, расположенного неподалеку" от водоема, для водоснабжения г. Шарыпово. Средством для определения данного параметра является уравнение водного баланса.
Уравнение водного баланса запишем в следующем виде:
П +Пг + 0-П -И±А =П ±Н, (10)
о Г* р о л 5 ' '
где По - основной приток, П6 - приток с неизученной части водосбора, Пя - приток подземных вод, О - осадки на зеркало озера, Пр - поверхностный сток воды из озера. И - испарение с поверхности озера, Ап- аккумуляция воды в озере, Н - невязка баланса.
Основной приток воды в озеро определен нами по сумме расходов воды рек, впадающих в водоем, на которых на период расчета имелись наблюдения. До 1988 г. поверхностный приток регистрировался с площади 1070 км2, с 1988 г. - с площади 846 км2.
Оценка притока с неизученной площади водосбора производилась по среднему арифметическому модулю стока рек Достоинством этого способа является то, что все реки-аналоги имеют одинаковый вес.
При расчете стока с неизученной площади формулы выглядят следующим образом:
0в = 0,13342,+ 1,533 (22 + 2,319-0, (11)
и начиная с 1988 г.:
0,-0,243 <2, + 2,134-0, + 3,241-0,, (12)
где - сток с неизученной площади; 0,, 02,0Э и 04 -
средние месячные расходы воды на реках: Ужур -д. Можары, Можарка - д. Можары, р, Шушь -д. Шушь и Ужур - д. Локшино соответственно
Известно, что над водной поверхностью водоемов осадков выпадает меньше, чем над сушей, но различия в их суммах не превышают 5-6%, что находится в пределах обшей точности измерений. Полагая, что для озера Белое это различие столь же незначительно, количество осадков на поверхность озера определено нами как среднее арифметическое из показаний 7 станций и постов, расположенных неподалеку от водоема Сток воды из озера регистрируется на р. Сереж у д. Корнилове. Пост расположен в 300 м ниже водопропускного устройства Рыбводхоза, которое регулирует сброс воды из озера.
Сток воды из озера за месячный интервал времени определяется по формуле
П =0,0864-тгОг, (13)
где Пу - объем стока воды за месяц, млн м3; 0к - средний месячный расход воды на посту Корнилове, м3/с; П - число дней в месяце.
Испарение (мм) с поверхности воды озера получено нами по формуле ГГИ (1).
Исходные величины для формулы (1) включающие парциальное давление водяного пара на высоте 2 м над водой и скорость ветра над водной поверхностью, определены по эмпирическим связям, установленным между фактическими значениями указанных переменных над водной поверхностью и измеренными на метеорологической Станции Шарыпово, расположенной в 20 км к западу от озера. Температура поверхности озера получена по зависимости от температуры воды, измеренной у берега.
Значения испарения со снега (И, мм) получены по формуле П.П. Кузьмина [2, 4,7]:
И = Ц'ф, 18 + 0,Ю-\У10) (е0 - е2), (14)
где все обозначения те же, что и в формуле (1), но исходные данные приняты по метеостанции Шарыпово Оценка изменений объема воды в озере произведена по разности объемов воды, в начале и конце расчетного периода. Для определения этих объемов нами получены кривые площадей и объемов воды (рис 4), основой для которых послужила батиметрическая карта озера масштаба 1: 10 ООО.
По результатам приведенных расчетов составлен многолетний водный баланс озера Белое (табл. 4) При этом подземный приток определен как остаточный член уравнения водного баланса. В среднем годовой приток подземных вод равен 100 мм, или 0,24 м3/с.
Рис. 4. Кривые зависимостей объема и площади водной поверхности Белого озера
Средний многолетний водный
Конечно, полученные величины параметров водного баланса требуют уточнении. Для этого необходимы детальное обследование всего водосбора озера, инвентаризация всех имеющихся водотоков и организация ряда гидрометеорологических наблюдений.
Таблица 4
озера Белое та 1У77-1990 ГГ., мм
Месяц Характеристика
Осповпой приток Притоке неизученной площади Осадки Сток из озера Испарение Аккумуляция а чаще озера Псдзэмпый приток
Январь 24 21 16 56 5 0 0
Февраль 18 17 12 43 2 1 -3
Апрель 163 91 31 136 31 -136 18
Май 66 53 46 177 31 17 26
Ими. 61 52 63 138 122 78 6
Июль 65 48 91 166 157 60 59
Август 68 53 64 104 124 47 -4
Сентябрь 48 30 43 92 57 30 -2
Октябрь 36 34 42 88 6 -30 12
Ноябрь 32 25 24 63 9 -6 -3
Декабрь 22 20 19 56 4 -1 0
Год 628 468 465 1171 560 60 110
Литература
1. Гета Р.И. Применение 'теории подобия к расчету испарения с водной поверхности // Метеорология и гидрология. 1979 № 2. С. 88-96
2. Нежнковский P.A. Гидрологические расчет н прогнозы при эксплуатации водохранилищ. Л.: Гидрометеоиздат. 1976. 191 с.
3. Озеро Кубенсюе ! Под ред. Т.Н. Малинина, И.М. Расшшова. Л.: Наука. 1977 308 с.
4. Рекомендации по расчетам водного баланса крупных озер н водохранилищ. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 99 с.
5. Руководство ло гидрологическим расчетам при проектировании водохранилищ. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 366 С.
6. Тихомиров А.И. Термика крупных озер Л.: Няук», 1982. 232 с.
7. Указания по расчету испарения е поверхности водоемов. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 83 с.
