Водний баланс озера

Водний баланс – це рівновага, котра існує між зміною об’єму води в озері за якийсь час і кількістю води, що надходить до озера і витрачається за той самий час.

Складаючими прибуткової частини водного балансу озера є атмосферні опади (х), поверхневий притік (у_пов), конденсація водяної пари на дзеркало озера (Z_конд), підземний притік (w_пр). Складаючими витратної частини водного балансу стокових озер є поверхневий стік із озера (у_ст.), підземний стік (фільтрація) з озера (w_ст), випаровування з поверхні озера (Z_вип). Зміна запасів води в озері позначається через ±∆u.

Отже рівняння водного балансу для стокових озер має такий вигляд:

х + у_пов + w_пр + Z_конд = у_ст + Z_вип + w_ст ±∆u

Для безстічних озер рівняння водного балансу має такий же вигляд, але без поверхневого стоку з озера.

Величина окремих елементів водного балансу і співвідношення між ними залежать від кліматичних умов, характеру водообміну, розмірів улоговини озера та його водозбірної площі.

3.1.5.Рух озерної води

Вітрове хвилювання

Один з найпоширеніших видів коливального руху води є хвилювання, яке вини­кає під впливом вітру. За зовнішньою формою хвилі зазвичай бувають неправильні, тримірні (добре виражений фронт хвилі відсутній), більш стрімкі, ніж на морі. Крутість хвилі–це відношення висоти хвилі до її довжини. Довжина хвил–це від­стань між двома вершинами або двома улоговинами. Висота хвилі– це різниця між двома вершинами або улоговинами. Навітряний схил хвилі крутіший, ніж підвітря­ний. Правильні або двомірні хвилі, які з'являються на воді під час слабкого вітру з незначним періодом і дуже малими розмірами. Це – капілярні хвилі, або брижі. В усіх послідуючих стадіях розвитку вітрові хвилі є гравітаційними. Хвилі, які поши­рюються по водній поверхні по інерції (після закінчення вітру або ті, що виходять з зони його впливу), називаються хвилями зябі. Зябь на озерах спостерігається рідко, переважно на великих озерах (на Ладозькому, Ісик-Кульському).

Сейші

Сейші – це стоячі хвилі на водоймах. Вони виникають при згонах і нагонах, різкій зміні атмосферного тиску в окремих частинах озера, при сейсмічних рухах. При сейшах відбуваються коливальні рухи усієї маси води, причому поверхня водойми набуває похилу то в один, то в інший бік. Нерухома вісь, відносно якої коливається водна поверхня, називається вузлом сейші. Залежно від кількості вузлів сейші бувають одновузлові та багатовузлові.

Амплітуда, період і довжина сейші неоднакова для різних озер і залежить від розмірів озера, його довжини та глибини. В невеликих за площею і довжиною, але глибоких озерах, коливання відбуваються швидко, тому і період сейшу короткий, а в таких самих озерах, але мілких, період сейшу подовжується. Амплітуда сейшу змінюється від кількох сантиметрів до метра і більше. Так, на Каспійському, Аральському морях відомі сейші заввишки до 1 м; на Байкалі – 5-7 см, іноді – 14 см, а період їх – близько 5 годин.

Течії

В озерах найбільш поширені стокові течії, вітрові, густинні й компенсаційні.

Стокові течії виникають під впливом притоку річкових вод в озеро чи відтоку озерних вод у річку, що витікає з озера. В обох випадках утворюється похил водної поверхні в озері, внаслідок якого і відбувається рух води.

Стокові течії на великих озерах простежуються на різних відстанях від гирла або витоку річок залежно від швидкості їхньої течії і витрат води. Так, за даними Г.Ю.Верещагіна, стокові течії в районі витоку Ангари відзначаються в Байкалі лише за 3 км, а води Селенги формують течії тільки влітку і на відстані 30 км від гирла.

Вітрові течії в озерах відзначаються значною несталістю. Це є наслідком мінливості вітрового режиму (напрямку і швидкості вітру), та впливу на течії індивідуальних особливостей самого озера (розмірів озерної улоговини, конфігурації берегів, рельєфу дна). Швидкість вітрових течій в озері вимірюється сантиметрами чи дециметрами за секунду.

Якщо напрямок стокових і вітрових течій збігається, то утворюються тимчасові або постійні течії, які проходять по всьому озеру (наприклад, в озерах Байкал і Балхаш).

Поблизу берегів вітрові течії спричиняють підйоми або зниження рівнів води залежно від напрямку вітру відносно берега. При цьому виникає похил рівня озера, що призводить до зміни градієнта гідростатичного тиску на різних його ділянках і до появи глибинної компенсаційної течії, яка сприяє збереженню рівноваги води в озері. У великих озерах біля довгих прямолінійних берегів компенсаційна течія має напрямок уздовж берега, а в малих озерах, бухтах, звуженнях – протилежний напряму вітрової течії.

Густинні течії можливі лише у великих озерах з чітко вираженою горизонтальною температурною неоднорідністю. В цих умовах виникають горизонтальні градієнти густини, які є причиною перемішування води, тобто причиняють появи густинної циркуляції. Так, в Ладозькому озері виявлена циклональна циркуляція, яка охоплює майже усе озеро, за винятком південної мілководної частини, де температура на акваторії змінюється мало. Максимальні поверхневі швидкості цієї течії близько 25-30 см/с. З глибиною швидкість зменшується і на глибині 50 м течія практично відсутня.

Перемішування в озерах

Фізичними причинами вертикального перемішування води в озерах є різниця густини води, що викликає конвективне перемішування.

Конвективне перемішування спостерігається в озерах з прісною або солонуватою водою при порушенні густинної стійкості водних мас, яка викликана, наприклад, весняним нагріванням чи осіннім охолодженням поверхневого шару води температури найбільшої густини.

Динамічне перемішування виникає під дією вітру (хвилювання, вітрові течії).

Вертикальна густинна стратифікація в озерах перешкоджає динамічному перемішуванню.

3.1.6.Термічний режим озер

Термічний режим – це закономірні коливання температури у водних об’єктах. Температурний режим озерних вод залежить від співвідношення між прибутком і витратою тепла, від розподілу цього тепла в озерній воді, що залежить від географічного положення озера, пори року, динаміки озерних вод та інших причин.

Для більшості озер головними джерелами тепла, які надходять на водну поверхню є: сонячна радіація (q_с⁺), турбулентний теплообмін з атмосферою (q_атм⁺), надходження тепла від донних грунтів (q⁺_гр), з річковим стоком (q⁺_річ), з підземними водами (q⁺_під) виділення теплоти при конденсації водяної пари (q⁺_конд) та при льодоутворенні (q⁺_льод).

Теплота витрачається в озерах на випаровування (q^-_вип), на ефективне випромінювання (І), надходження тепла до грунту дна озера (q^-_гр), на танення льоду (q^-_льод), виноситься річковими (q^-_річ) та підземними водами (q^-_під).

Отже рівняння теплового балансу озера має такий вигляд:

(q⁺_с) + (q⁺_річ) + (q⁺_під) + (q⁺_конд ) + (q⁺_льод) + (q⁺_атм) + (q⁺_гр) =

І + q_атм^- + (q^-_гр) + (q^-_вип) + (q^-_льод) + (q^-_річ) + (q^-_під) ± ∆q,

де ± ∆q – тепловий вміст води в озері.

Внаслідок коливання основних елементів теплового балансу запаси тепла в озерах періодично змінюються, тому вода в них нагрівається або охолоджується.

Якщо температура води з глибиною підвищується, то в озері встановлюється зворотна температурна стратифікація, яка характерна для зимового періоду. Якщо температура води зменшується від поверхні озера до дна – пряма температурна стратифікація, яка характерна для літа.

Навесні та восени вся товща води має однорідну температуру. Такий стан води в озері називається гомотермією.

Найбільш високої температури набуває поверхневий шар води (епілімніон). Нижче цього шару є проміжний шар, температура якого різко знижується з глибиною (металімніон). Основна товща води озер зберігає відносно невисоку температуру (гіполімніон).

Перерозподіл тепла в озері, нагрівання й охолодження водної маси в ньому, відбуваються під впливом динамічного та конвективного перемішування, течій і хвилювання.