Структура водного баланса озера

Под структурой водного баланса любого водоема понимают соотношение между различными приходными и расходными составляющими уравнения водного баланса.

Для характеристики структуры приходной и расходной частей уравнения водного баланса водоема К.К. Эдельштейн предложил учитывать соответственно долю осадков и испарения в обеих частях уравнения. Рассмотрим случай равновесного состояния водного баланса сточного озера: приход вод равен их расходу и уровень водоема стабилен. В уравнении водного баланса (7.3) пренебрежем всеми членами, кроме х, у_пр, z_исп и y_ст. Тогда уравнение водного баланса такого озера с неизменным уровнем воды (рис. 7.4) будет выглядеть в объемных единицах следующим образом:

X_оз + Y_пр = Y_ст + Z_оз(7.6)

т. е. объемы осадков на поверхность озера и притока к озеру, с одной стороны, и речного стока из озера и испарения с его поверхности, с другой, равны.

Рис. 7.4. Простейшая схема формирования водного баланса сточного озера со стабильным уровнем воды

Вклад осадков и испарения соответственно в приходную и расходную части уравнения выразим коэффициентами:

K_x = X/(Y_{np +} X_оз), (7.7)

K_z = Z_оз /( Y_ст + Z_оз) = Z/( Y_np + X_оз). (7.8)

Замена Y_ст + Z_озна Y_np + X_озв уравнении (7.8) оправдана тем, что в уравнении водного баланса (7.6) приходная и расходная части равны между собой.

Объем осадков на поверхность озера выразим через слой осадков по формуле (7.4): Х_оз= k₁x_озF_оз. Аналогично получим: Z_оз = k₁z_озF_оз. Речной приток в озеро Y_npвыразим через слой стока на водосборе озера: Y_np = ay_npF_вили Y_np = ak₁x_вF_в, где х_в — слой осадков на водосборе озера; F_в— площадь водосбора; a — коэффициент стока, равный у_в/х_в.

При соответствующих заменах формулы (7.7) и (7.8) получат вид:

, (7.9)

. (7.10)

Разделим числитель и знаменатель обоих выражений на х_озF_ози заменим отношение F_в/F_озна j:

, (7.11)

. (7.12)

В этих формулах j — так называемый удельный водосбор, равный отношению площади водосбора озера к площади самого озера. К_х и K_z могут быть выражены в долях 1 или %.

Анализ выражений (7.11) и (7.12) показывает следующее:

1) доля осадковв водном балансе озера тем больше(а доля притока в него тем меньше), чем меньшеj (т. е. больше площадь озера по сравнению с площадью водосбора); чем меньше коэффициент стока а, т. е. больше степень засушливости водосбора; чем меньше отношение х_в/х_оз (т. е. чем в более увлажненной части водосбора находится озеро);

2) доля испаренияв водном балансе озера тем больше(а доля стока из озера тем меньше), чем меньшеj,, a и х_в/х_оз (как и в предыдущем случае); чем больше отношение z_оз/x_оз т. е. больше так называемый «индекс сухости» в районе озера (по М.И. Будыко). При этом условно принимаем, что испарение с поверхности озера совпадает с величиной испаряемости.

Из уравнения водного баланса (7.6) можно установить условие существования бессточного озера. Приняв Y_ст = 0,получим Х_оз+ Y_np = Z_озили x_озF_оз+ y_вF_в= z_озF_оз. Из уравнения водного баланса водосбора Х_в = у_в + z_внайдем у_в = х_в – z_в. Тогда получим x_озF_оз+ (x_в – z_в)F_в = z_озF_оз,откуда (z_оз-x_оз)F_оз = (x_b-z_b)/F_b или

. (713)

Последнее выражение означает, что с ростом удельного водосбора для существования бессточного озера должно пропорционально возрастать отношение избытка испарения над осадками на поверхности озера к избытку осадков над испарением на водосборе. Иначе говоря, в увлажненных районах бессточные озера могут существовать лишь при малых значениях j, а в засушливых — при больших значениях j, причем, чем засушливее район, тем больше должна быть величина j.

По соотношению составляющих расходной части уравнения водного баланса все озера, согласно Б.Б. Богословскому, подразделяются на две группы: стоковые С и испаряющие И. У озер первой группы сток превышает испарение с их поверхности: Y_ст>Z_оз, у озер второй группы Y_ст < Z_оз. По соотношению составляющих приходной части уравнения водного баланса озера обеих групп подразделяют на три типа: приточные П, когда приток с водосбора преобладает над осадками (Y_np>X_оз), нейтральные Н, когда Y_np~X_оз, и дождевые Д если осадки преобладают над притоком (Y_np<X_оз). Стоковые озера характерны для зон достаточного и избыточного увлажнения, испаряющие — для зон недостаточного увлажнения. Тип же озера зависит от величины удельного водосбора: к нейтральному и дождевому типам относятся, как правило, озера с малой величиной j.

Водообмен в озере

Показателем водообмена в озере, или интенсивности водообмена (смены) вод в озере, служит так называемый коэффициент условного водообмена (см. формулу (3.6)), который для озер чаще всего выражают формулой

К_в = (Y_пр + X_оз)/V= (Y_ст+ Z_оз)/V, (7.14)

где V — объем озера.

Иногда коэффициент условного водообмена в озере определяют иначе: К^’_в = Y_np/V или К^’’_в = Y_ст/V. К^’_вхарактеризует относительную роль притока речных вод в водообмене, К^’’_в — относительную роль оттока речных вод. Для бессточных озер К^’’_в = 0.Если составляющие водного баланса озера представлены в км³/год, то величина 1/К_в численно равна периоду условного водообмена (водообновления), выраженному в годах (см. формулу (3.7)).

Наиболее общая закономерность, свойственная водообмену озера, следующая: чем меньше объем озера, тем при прочих равных условиях коэффициент водообмена больше. Так, у оз. Ильмень К_в = 1,35, т. е. обновление вод в озере происходит в среднем за 0,74 года. У небольших проточных озер на Кольском п-ве К_в достигает 1000 (вода в среднем обновляется за 0,001 часть года, т. е. почти за 9 ч). У крупных водоемов, таких, как оз. Байкал и Каспийское море, К_в составляет 0,0032 и 0,0049, т. е. время условного обновления вод соответственно равно 312 и 204 годам.