Реферат: Гидрология (шпаргалка)
ИЗ ИСТОРИИ ГИДРОЛОГИИ.
Название науки о воде — гидрология — образовано из двух греческих слов: «гидор» — вода и«логос» — знание, наука.
Первые начатки гидрологиипоявились на заре истории че ловечества, около 6000 лет назад, в ДревнемЕгипте. В то время когда на территории современных Финляндии и Карелии,возможно, кое-где еще таяли остатки льдов последнего периода оледенения,египетские жрецы вели простейшие гидрологические наблюдения — отмечали наскалах в 400 км выше Асуана уровни воды в периоды ежегодных разливов Нила.Позднее в Древнем Египте была создана целая сеть (около 30)„гидрологических" постов на Нижнем Ниле, так называемых ниломеров.Некоторые ниломеры представляли собой богатые архитектурные сооружения:мраморные колодцы в русле реки с красиво украшенной каменной колоннойпосредине, на которой отмечали высоту подъема половодья. Сохранился самыйдлительный в мире ряд гидрологических наблюдений — за 1250 лет — по одному изтаких ниломеров, расположенному на острове Рода близ Каира.
По высоте уровня воды вовремя половодья Нила жрецы определяли будущий урожай и заблаговременноназначали налоги.
Однако понадобилосьнесколько тысячелетий для того, чтобы гидрология, начавшаяся с наблюдений заполоводьем Нила, превратилась в самостоятельную научную дисциплину. Важнымрубежом в истории развития гидрологии стал конец 17 в. Французский ученый П.Перро, а после него Э. Мариотт, измерив величину осадков и стока в бассейнеВерхней Сены, установили количественные соотношения главных элементов водногобаланса речного бассейна — осадков и стока, опровергнув господствовавшие в товремя фантастические представления о происхождении рек, источников и подземныхвод. В этот же период английский астроном Э. Галлей на основании опытов поизмерению испарения показал на примере Средиземного моря, что испарение споверхности моря значительно превышает приток речных вод в него, и тем самым„замкнул" схему круговорота воды на земном шаре.
Измерения, расчеты иэксперименты Перро, Мариотта и Галлея, выполненные 300 лет назад, несмотря наприближенный характер и смелые допущения, заложили прочную основу дляпоследующего плодотворного развития научной гидрологии. Недаром ЮНЕСКО(Организация Объединенных Наций по вопросам, образования, науки и культуры)отметила в 1974 г. на международной гидрологической конференции в Парижетрехсотлетие научной гидрологии, приурочив этот юбилей к трехсотлетнейгодовщине выхода в свет книги П. Перро „О происхождении источников"(Париж, 1674), в которой автор приводит результаты своих подсчетов водногобаланса.
Знаменательно, что перваякнига, носящая название „Гид рология", а может быть, и сам этот термин,также появились в конце 17 в.: в 1694 г. во Франкфурте-на-Майне вышла книга Э.Мельхиора под названием „Гидрология в трех частях", содержащая описаниецелебных минеральных источников Висбадена. В русской литературе термин„гидрология", появился, по всей вероятности, лишь во второй половине 18столетия: в статье П. Варгентина „О натуральной истории вообще" (1762 г.)упоминается о „знании воды, то есть гидрологии".
В лекциях по физическойгеографии, которые читал в 1774-1793 гг. в Кенигсбергском университете И. Кант,слово „гидрология" ни разу не встречается, хотя Кант и уделил значительноевнимание рекам, их происхождению, формированию русел, наводнениям и т. o., атакже океанам, морям и источникам (об озерах ничего не говорится).
Ничего нового длягидрологии Кант в своих лекциях не дал. На общем фоне передовых для его временивзглядов нет-нет да и проскользнет отзвук старинных, уже отживающих воззрений.Например, говоря о причинах разлива Нила, он вначале правильно указывает надожди, выпадающие в «египетских» горах, но тут же добавляет, что частичнопричиной разливов являются северные ветры, дующие прямо в устье реки иотгоняющие ее воду вверх по течению, — теория нильских разливов, высказанная всвое время еще Фалесом Милетским, первым из семи мудрецов Древней Греции.Однако Кант возражает против еще встречавшихся в его время утверждений,пережитков 17 в., что круговорот воды (в частности, питание рек) совершаетсяпутем поступления морской воды в подземные пустоты горах, из которых водаподнимается вверх к истокам рек.
Удивительно, что Кантговорит в своих лекциях о том, что вода состоит на 15% из водорода и на 85% изкислорода, т. е. об открытии Кавендиша, которое было опубликовано в 1784 г., всамый период чтения лекций Кантом. Однако реку Урал он продолжает на зыватьЯиком — по-видимому, указ 1775 г. Екатерины II о переиме новании «преступной» рекипредставлял для Канта меньший интерес, чем замечательное открытие Кавендиша.
В конце 19 столетиягидрологию еще рассматривали как часть физической географии, иногда ее относилик гидротехнике или гидравлике. С основами гидрологии студенты знакомились изкурсов климатологии, мелиорации внутренних водных путей и т. п. И лишь в начале20 в. определилось содержание гидрологии как самостоятельной науки, в некоторыхуниверситетax и технических учебных заведениях Германии, Франции, России, СШАстали читать специальные курсы гидрологии, подвились первые учебные пособиия поэтой дисциплине. В России впервые курс гидрологии суши вел в Петербургскомполитехническом институте проф. С. П. Максимов в 1914 г. Литографированныелекции этого курса были первым в России учебником гидрологии.
Один из основоположниковсоветской гидрологии проф. В. Г. Глушков считал С. П. Максимова своим учителем.
Интенсивное развитиегидрологической науки началось примерно с 30-х годов нынешнего столетия, когдазнание гидрологических закономерностей стало особенно необходимым вследствиебыстрого развития гидроэнергетики и ирригации и связанного с этим широкогоиспользования рек, строительства крупных водохранилищ и каналов.
Происхождение, типы и морфология озерных котловин
Озерами называются котловины или впадины земной поверхности,заполненные водой и не имеющие прямого соединения с морем.
Размеры озер колеблются в весьма широком диапазоне. Согласноприведенному определению, к озерам могут быть отнесены и такие круп-ные водоемы,как Каспийское и Аральское моря, а также сравнительно не-большие временныескопления воды в понижениях местности, образую-щиеся, например, в периодвесеннего снеготаяния.
При изучении столь значительных по размеру водоемов, как Каспий-скоеи Аральское моря, широкое применение находят приемы океанографи-ческихисследований; поэтому в целом изучением гидрологического режи-ма этих водоемовзанимаются океанографы.
Иногда, в отличие от текущих вод (рек), озера определяют какводо-емы с замедленным стоком или с замедленным водообменом.
При наличии котловины образование озера произойдет в том случае,когда приток воды в это углубление будет превышать потери на фильтра-цию ииспарение.
Искусственно созданное озеро называется водохранилищем. Есливо-дохранилище имеет небольшие размеры, его называют прудом. Иногда пру-даминазывают мелководные естественные озера, на площади которых рас-пространенаводная растительность.
Типы озер по характеру котловин. Несмотря на большое разнооб-разиевстречающихся в природе озер, среди них могут быть выделены оп-ределенные типы,имеющие сходство по ряду признаков.
Прежде всего можно выделить определенные типы озер в зависимости отусловий образования озерного ложа.
По характеру котловин, послуживших основой для образования озера,можно выделить озера плотинные, или запрудные, котловинные и смешан-ные.
Плотинные озера образуются в том случае, когда долина перекрыва-етсяв каком-либо месте обвалом, ледником, наносамии т. п.; в эту группу входят иискусственные озера — водохранилища. Среди плотинных озер можно выделитьречные, долинные и прибрежные.
Речные озера могут возникать как временные образования в результа-терезкого снижения стока отдельных рек в сухое время года; в этом случае рекинередко обращаются в цепочку озер, лежащих в долине и отделенных друг от другасухими участками русла. Другим типом речных озер являются так называемыепойменные озера. Этот тип озер непосредственно связан с процессом образованиястариц, возникающих вследствие преграждения отдельных рукавов реки грядойнаносов и образования рекой нового русла.
Долинные озера могут возникать в горах от завалов. Озера завальногопроисхождения образуются вследствие закупорки узкой долины продукта-миразрушения их склонов.
Прибрежные озера бывают двух типов: лагуны и лиманы. Лагунывозникают в том случае, когда мелководные заливы, или бухты, отделяются от морянаносными песчано-глинистыми валами, или косами. Лиманы представляют собойзатопленную морем устьевую часть долины.
Моренные озера обязаны своим происхождением деятельности лед-ников,особенно мощных ледниковых покровов четвертичного периода, ко-торые погребалипод собой огромные пространства. После отступления (таяния) и исчезновениятакого ледникового щита на его месте остался об-ломочный материал, который переносилс собой ледник: глина, песок, ще-бень, крупные глыбы горных пород и т. д.
Большое скопление этого материала (так называемой морены) в однихмес-тах и незначительное в других создает рельеф, отличающийся холмисто-стью,непрерывным и частым чередованием возвышенностей и понижений, причем пониженияобычно бывают замкнутыми. Заполненные водой, они образуют моренные озеракруглой или неправильной формы, со многими ответвлениями и заливами. В условияхморенного ландшафта немало озер, относящихся и к типу плотинных.
Каровые озера занимают впадины, выработанные в ледниковое времясовместной работой льда, фирна и морозного выветривания.
Карстовые озера представляют собой результат химической(раство-ряющей) деятельности подземных и поверхностных вод. Вынос растворен-ныхвеществ, а также тонких глинистых частиц (суффозия) может привести кобразованию подземных пустот и оседанию кровли над этими пустотами, чтообусловит появление воронок на поверхности земли; если эти воронки будутзаполнены водой, на их месте возникнут карстовые озера.
Своеобразной разновидностью карстового типа озер являютсятермо-карстовые озера, возникающие в результате заполнения водой углублений наповерхности земли, образующихся в областях развития вечной мерзлоты вследствиетаяния подземных пластов или линз льда. Таяние этого льда не толькоспособствует образованию озерной котловины, но и в значительной мере поставляетводу для заполнения котловины.
Дефляционные озера располагаются в котловинах, созданных вре-зультате процесса выдувания, и в понижениях между барханами и дюнами.
Многие котловинные озера возникают в результате вулканических итектонических процессов.
Тектонические процессы обусловливают появление котловин огром-ныхразмеров. Поэтому тектонические озера обычно глубоки. Примерами могут служитьозера Иссык-Куль, Байкал, Севан и др.
Вулканические озера возникают либо в кратере потухшего вулкана, либов углублениях на поверхности лавового потока, образовавшихся при егозастывании, либо в долине реки вследствие перегораживания ее пото-ком лавы.
Элементы озерного ложа и береговой области. Впадина, находя-щаяся наземле и наполненная водой, имеет закономерно построенный рельеф, отличающий ееот впадин, не занятых водой.
Первоначальная форма котловин изменяется под действием размыва какповерхностным стоком в озеро, так и волнением: склоны котловины выполаживаются,неровности рельефа дна сглаживаются, заполняясь отло-жениями, откосы берегаприобретают устойчивый профиль.
Раздел озероведения, в котором рассматриваются закономерности, проявляющиесяв формировании рельефа озерных котловин, называется морфологией озер.
Озерная котловина от окружающей местности отграничена кореннымберегом, образующим береговой склон, или яр; основание этого берегарас-полагается на верхней границе воздействия озерной волны. Заканчиваетсякоренной берег бровкой, или линией сопряжения склонов с поверхностьюприлегающей местности. Часть котловины, заполненная водой до высотымаксимального подъема уровня, называется озерным ложем, или озерной чашей.
В озерной котловине прежде всего можно выделить береговую иглу-бинные области.
В береговой области выделяют три зоны:
1) береговые склоны (яр)— часть озерного склона, окружающая озеро совсех сторон и неподвергающаяся воздействию волнового прибоя;
2) побережье — включает сухую часть, которая подвергаетсявоздействию воды лишь при сильном волнении и в особенности при высоком стоянииводы, затопляемую, которая покрывается водой периодически — во время подъемауровня воды озера, и подводную, которая обычно лежит под по-верхностью воды и,в отличие от более глубоких частей береговой области, подвергается воздействиюволны при волнении;
3) береговая отмель — заканчивается подводным откосом, являющимсяграницей между склоном и дном озерного ложа; верхняя часть береговой отмелисоответствует нижней границе воздействия на береговую область волнового прибоя.
Указанные зоны береговой области озерной котловины в схематическомвиде показаны на рис. 136.
Формирование озерного ложа под влиянием волнения и отложе-ниянаносов. Волнение, зависящее от силы ветра, глубины и размеров озе-ра,воздействует в течение длительного периода на береговую область озернойкотловины, разрушает слагающие ее горные породы и сносит раз-мытый материалвниз по склонам и на
Рис. 136. Схема расчленения береговой области озерной котловины.
дно озера. В результате этого увеличиваются размеры побережья иотмели размыва, одновременно с этим увеличивается площадь намыва и уменьша-етсяза счет глубинной области озера.
Таким образом, озеро постепенно заносится благодаря действию волн.Степень интенсивности этого процесса, конечно, в значительной мере зависит отгеологического состава пород, из которых сложен берег озера.
Однако каков бы ни был береговой материал, он под действием волн ивы-ветривания превращается, в конце концов, в мелкий камень, гравий и песок.
Кроме волнения, на форму озерного ложа существенное влияниеока-зывает процесс поступления аллювиальных наносов, приносимых впадаю-щими возеро реками. Впадающие в озеро поверхностные водотоки размы-вают по путисвоего следования грунты и выносят продукты размыва в озе-ро.
Помимо минеральных осадков, попадающих в озерное ложе в резуль-татеволнения или приносимых течением рек, озерная котловина заполняет-ся иотложениями ила органического происхождения. Этот ил является продуктомпроцессов, происходящих в самом озере, и образуется в резуль-тате отмирания ипоследующего осаждения на дно взвешенных в воде мик-роскопических животных
Рис. 137. Схема зарастания мелководных озер.
1 — осоковый торф, 2 — тростниковый и камышовый торф, 3 —сапропелевый торф, 4 — сапропелит.
и растительных организмов (так называемого планктона), а также врезуль-тате отмирания прибрежной растительности, распадающейся послепере-гнивания на мельчайшие частицы, легко уносимые течениями на серединуозера. Интенсивное развитие указанных организмов в течение теплого пе-риодагода, а отмирание в течение холодного обусловливает послойное от-ложение этихилов на дне озера, что позволяет по слоям определять возраст озера.
Географическое положение озера. Морфометрические характери-стики.Важной характеристикой озера является его географическое поло-жение (широта,долгота) и высота над уровнем моря.
Эти данные уже позволяют составить общее представление об основ-ныхчертах режима озера. Географическое положение озера в определенной мереотражает общие климатические особенности района, а высотное по-ложениеопределяет также местные влияния климатических и других фак-торов на процессы,происходящие в озере.
При изучении озер и озерных котловин важно установить не толькоусловия их образования, но и определить ряд числовых характеристик, дающихколичественные представления об основныхэлементах озера и озерной котловины.Эти характеристики носят название морфометриче-ских.
Площадь озера вычисляется двояко: либо вместе с площадью остро-вов,либо отдельно площадь водной поверхности. Так как берега озер не от-весны,площадь водной поверхности (зеркала озера) изменяется при изме-нении уровняозера.
Длина озера — кратчайшее расстояние между двумя наиболее удален-нымиточками, расположенными на берегах озера, измеряемое по поверх-ности озера.Таким образом, эта линия будет прямой
Рис. 138. Схема зарастанияглубокого озера путем образования сплавин.
1 — торф сплавины; 2 — мутта, или пелоген; 3 — сапропелевый торф; 4— сапропелит.
лишь в случае сравнительно простых очертаний озера; для извилистогоозе-ра эта линия, очевидно, может быть и не прямой, а состоять из отдельныхотрезков прямых и кривых линий.
Ширина озера — различают наибольшую ширину, определяемую какнаибольший поперечник (перпендикуляр) к линии длины озера, и среднюю ширину,представляющую отношение площади озера со к его длине L
Степень развития береговой линии оценивается коэффициентомизвилисто-сти т, вычисляемым как отношение длины береговой линии s к длинеок-ружности круга, имеющего площадь, равную площади озера,
Широкое применение при оценке водных запасов озера имеет криваяизменения площади озера с глубиной, представляющая собой график связи площадейгоризонтальных сечений озера и соответствующих им глубин, и кривая измененияобъема озера в зависимости от его глубины.
На рис. 139 представлены кривые изменения площади и объема Онежскогоозера с глубиной (табл. 42). Такие кривые дают возможность определить площадьзеркала озера и объема воды для любого уровня. Эти величины необходимо знатьпри всех расчетах.
Рис. 139. Кривые площадей и объемов Онежского озера.
Объем воды в озере может быть определен по карте изобат, пользу-ясь «методом призм».
Средняя глубина озера равна отношению объема воды в озере к пло-щадиего зеркала.
Знание элементов, характеризующих форму озерной котловины,не-обходимо не только для того, чтобы понять основные закономерности ре-жимаозера, но и для решения ряда хозяйственных задач, связанных непо-средственно сэксплуатацией озера. Например, при использовании озера в транспортных целяхнеобходимо знать распределение глубин в пределах всей акватории и, в частности,в зоне береговой отмели. При регулировании стока вытекающих из озера рекнеобходимо иметь кривые зависимости объема воды и площадей озера от высотыстояния уровня. Для расчета эле-ментов волн важно знать распределение глубин иширин озера по различ-ным направлениям и т. д.
Из общего объема воды (около 28000 км3), заключенной в озерах СНГ,примерно 82% (23000 км3) сосредоточено в оз. Байкал.
Водный баланс и уровень озер
Элементы водного баланса. Водный баланс озера непосредственноопределяется процессами притока и расхода воды. Приход воды в озероосуществляется путем поверхностного и подземного притока и выпаденияатмосферных осадков на его поверхность.
В некоторые периоды пополнение запасов воды в озере можетпроис-ходить за счет конденсации водяного пара на его поверхности.Существен-ное влияние на водный баланс небольших озер, особенно в степных рай-онах,оказывают скопления снега, переносимого ветром, в зарослях трост-ника,растущего по берегам.
Расходование поступающей в озеро воды происходит путем испаре-ния споверхности озера, поверхностного и подземного стока из него.
Совместное рассмотрение величин прихода-расхода воды за некоторыйпериод времени сводится к составлению водного баланса водоема за этот период.Очевидно, что разность между приходом воды в озеро и расходом воды из негодолжна равняться увеличению или уменьшению за-паса воды в озере.
По условиям формирования водного баланса озера можно разделить надве основные группы: сточные и бессточные.
Озеро будет бессточным, если поступающая в него вода полностьюрасходуется на испарение. Если приток превышает потери на испарение, то стечением времени котловина переполняется, а излишек воды стекает, об-разуяреку.
Сточные и бессточные озера имеют определенные областираспростране-ния. В пределах северо-западной части Европейской территории СССР,где количество осадков сравнительно велико, а испарение мало, распростране-нысточные озера, на юго-востоке при большой сухости климата, наоборот, —бессточные. В частном случае сток из озера может осуществляться неповерхностным, а подземным путем.
В водном балансе водохранилищ, помимо указанных элементов,су-щественное значение могут иметь: сбросы через сооружения гидротехниче-скогоузла (ГЭС, шлюз, плотина), включая утечки через неплотности затво-ров;водозабор из водохранилища; потери воды на насыщение грунтов, сла-гающих ложеводохранилища; фильтрация в нижний бьеф в створе гидро-технического сооружения;объем воды, заключенной во льду и снеге, оседающих в мелководных частяхводохранилища при его сработке зимой и всплывающих весной при наполненииводохранилища; временные потери на фильтрацию воды в берега водохранилища ивозврат этих вод обратно при изменяющихся уровнях воды в водохранилище.
Уровенный режим озер. Колебания уровней сезонные, годовые икратковременные. Уровенный режим озер определяется комплексом сле-дующихприродных условий:
а) соотношением между приходной (осадки на зеркало озера,поверх-ностный приток, подземный приток) и расходной частью водного балансаозера (испарение, поверхностный и подземный сток из озера);
б) морфометрическими характеристиками озерной чаши, и озернойкотловины (соотношение между высотой стояния воды в озере и площадью еговодного зеркала);
в) размерами озера, его формой, характером берегов, характеромвет-ровой деятельности, определяющим размеры волн, сгонов и нагонов уров-ня.
Колебания уровня озера могут быть сведены к следующим трем ос-новнымвидам: сезонные, годовые и кратковременные. Иногда колебания уровня в годовом(сезонные) и многолетнем периоде, отражающие режим притока и убыли воды возере, называют абсолютными колебаниями, а кратковременные, которые происходятодновременно с абсолютными изме-нениями уровня, называют относительнымиколебаниями. В силу того что относительные колебания протекают одновременно сабсолютными, они дополнительно увеличивают или уменьшают амплитуду абсолютногоколе-бания уровня озера в отдельных его пунктах.
Сезонные колебания, происходящие в течение года, обусловливаютсяразличными в разные месяцы, но более или менее правильно ежегодноповторяющимися соотношениями между приходной и расходной частями водногобаланса. Амплитуда годовых колебаний уровня воды в разных озе-рах различна изависит oт ряда факторов: климатических условий, характе-ра питания, размераплощади водосбора, размера озера, геологических ус-ловий озернОГО ложа и др.
Абсолютные значения амплитуды колебания уровней естественных озеризменяются в довольно широких пределах — от десятков сантиметров до 2—4 м ибольше в зависимости от сочетания указанных выше условий.
После ряда многоводных лет, когда приток превышает расход, воды изозера, имеет место более высокое стояние уровней, чем после маловод-ныхпериодов. Вследствие того что на крупных (особенно бессточных) озе-рах уровенькаждого данного года является следствием характера водности ряда предшествующихлет, низкий уровень может иметь место и в много-водном году, если этот годвходит в цикл лет маловодного периода, и высо-кий — в маловодном, если этотмаловодный год наблюдается в пределах многоводного периода.
Кроме отмеченной причины, имеющей место на каждом озере, иногданаблюдаются так называемые вековые колебания, вызываемые геологиче-скимифакторами (поднятие, опускание озерной котловины и отдельных частей ее).
Кратковременные, или относительные, колебания уровней воды в озереявляются следствием волнения, ветровых нагонов и сгонов и сейш.
Динамические явления в озерах
Постоянные и временные движения водных масс. Движения вод-ной массы,возникающие в озерах, могут быть разделены на постоянные и временные.
Постоянные движения воды в озере в форме течений вызываютсявпадающей в озеро или вытекающей из него рекой (сточные течения).Ин-тенсивность таких течений определяется соотношением объема озера и рас-ходавтекающей или вытекающей реки. Если объем воды в проточном озере невелик посравнению с объемом воды, втекающей в озеро, то в озере уста-навливается течение,аналогичное течению в реке, лишь с соответственно меньшими скоростями. Такоепроточное озеро может в некотором смысле рассматриваться как крайний случайзначительного расширения русла реки.
Если, наоборот, объем озера весьма велик по сравнению с объемомводы, втекающей и вытекающей из него, то, хотя оно и в этом случае назы-ваетсяпроточным, но во многих отношениях по характеру происходящих в нем процессовближе подходит к бессточному озеру. Течение такого типа наблюдается в оз.Байкал, объем которого чрезвычайно велик по сравнению с объемом стока втекающихв него рек Селенги, Верхней Ангары и др. и вытекающей из него р. Ангары.
Временные движения водной массы озера могут проявляться в видетечений и волнения.
Среди временных течений прежде всего следует выделить такие, которыевозникают под действием ветра и вследствие неравномерного нагревания иохлаждения воды озера.
Ветровые (дрейфовые) течения оказывают особенно значительное влияниена характер физических процессов в озерах с большой площадью, плоской формойозерного ложа и малыми глубинами.
Неравномерность охлаждения и нагревания водных масс озера преж-девсего вызывает вертикальные, так называемые конвекционные токи, в некоторойстепени оказывающие влияние и на горизонтальные перемеще-ния водных масс.
Рис. 140. Схема ветровой волны.
Среди временных движений водных масс озера наибольшее значение имеютветровые волны и сейши.
Ветровые волны. Исследования показали; что если две среды разнойплотности расположены одна над другой, но только в состоянии покоя од-ной средыотносительно другой разделяющая их поверхность будет плоско-стью. Если одна изних движется по отношению к другой, то разделяющая их поверхность принимаетволнообразный характер, причем размеры волн зависят от скорости движения, разностиплотностей и глубин обеих сред.
При движении воздуха над водной поверхностью в результате трениясоз-дается неустойчивое равновесие на поверхности их раздела, которое,неиз-бежно, нарушаясь, закономерно переходит в устойчивую в этих условияхволновую форму с повышением плоскости раздела против начальной линии уровня водних местах и с понижением в других.
Волны характеризуются следующими элементами:
— вершина, или гребень, волны — высшая точка волны А;
— подошва, или ложбина — самая низшая точка волны В;— высота волны —разность отметок гребня и подошвы;
— длина волны — расстояние между двумя вершинами или двумяподош-вами;
— крутизна волны (а) в данной точке — тангенс угла, составляемогокаса-тельной к профилю волны с горизонтальной линией. Часто в расчетныхза-висимостях под крутизной волны понимают не крутизну в данной точке, аотношение длины волны к высоте волны;
— период волны — промежуток времени, в течение которого волнапробе-гает расстояние,_равное ее длине;
— скорость распространения волны — расстояние, проходимое какой-либо точкой волны(например, гребнем) в единицу времени. По внешней форме различают:
а) правильное, или двухмерное, волнение, когда наблюдается однасистема волн, распространяющихся в одном направлении и имеющих одну форму иразмеры;
б) неправильное, или трехмерное, волнение, состоящее избеспоря-дочно движущихся волн, гребни и ложбины которых разбиты наобособ-ленные бугры и впадины.
Применительно к случаю правильных двухмерных волн существует теорияволнения, известная под названием теории трохоидальных волн. Эта теорияустанавливает внешнюю форму волны и законы движения частиц воды.
Форма волны, согласно рассматриваемой теории, представляет собойтрохоиду, т. е. кривую, описываемую какой-либо точкой внутри круга, ка-тящегося(без скольжения) по прямой, тогда как точка на окружности тако-го кругаописывает кривую, называемую циклоидой.
Рис. 141. Трохоида (1) и циклоида (2).
Сейши. Иногда в озере возникает колебание всей массы воды, причем поповерхности ее не распространяется никакой волны. Такое колебатель-ное движениеназывается сейшами. При сейшах поверхность озера приоб-ретает уклон то в одну,то в другую сторону. Неподвижная ось, около кото-рой колеблется зеркало озера,называется узлом. Как показывают исследо-вания, сейши более устойчивы вглубоководных водоемах, чем в мелковод-ных.
Термический и ледовый режим озер
Основные черты теплового баланса озер. Нагревание и охлаждение озерпроисходит под воздействием составляющих теплового баланса.
Наряду с элементами теплового баланса на температуру поверхности иее распределение по вертикали и акватории озера существенное влияние оказываютглубина водоема, размеры водной поверхности и расчленение береговой линииводоема бухтами, заливами, наличие островов и пр.
Малые озера обычно лучше защищены от действия ветра, поэтому ипроцессы ветрового перемешивания на них менее выражены, чем на круп-ных озерах.
Расчеты, произведенные в ГГИ, показывают, что за период, свобод-ныйото льда, для озер, расположенных в различных районах СССР, наблю-даетсясравнительно устойчивое соотношение между слагаемыми теплового баланса,обусловленными испарением, эффективным излучением, конвек-цией и поглощеннойводой суммарной солнечной радиацией. Во всех слу-чаях для периода, свободногоото льда, максимум расхода тепла падает на испарение, на которое расходуется40—70% поглощенной водой суммарной солнечной радиации; на эффективное излучениерасходуется порядка 25—35%, на турбулентный теплообмен с атмосферой 2—25%, именьше всего затрачивается тепла на теплообмен с дном (0—4%).
Характеристика процесса нагревания и охлаждения воды в озерах.
Смена нагревания и охлаждения происходит неодновременно во всейтолще воды. Наиболее резкие изменения температуры наблюдаются на по-верхностиводоема, откуда они под влиянием динамического и конвектив-ного перемешивания,течений и волнения распространяются по всей толще воды.
Направление конвективного перемешивания, происходящего под влияниемразности плотностей воды на разных глубинах, будет различным в зависимости оттого, выше или ниже 4° С (для пресных озер) температура к моменту возникновенияконвекции.
Если температура воды озера от 0 до 4° С, то у поверхности,находит-ся вода с более низкой температурой, а ниже в соответствии с изменениемплотности располагаются слои с последовательно увеличивающей темпера-турой, всеболее приближающейся к 4° С. В этом случае имеет место об-ратная термическаястратификация. С того момента, когда приходные составляющие теплового балансаначинают превышать расходные, увели-чивается температура поверхностных слоев,которые, нагреваясь до 4° С, как более тяжелые опускаются вглубь, а на их местопод влиянием конвек-ции поднимаются более холодные массы воды.
Когда температура по всей толще воды озера достигнет 4° С,даль-нейшее нагревание поверхностных слоев приведет к повышению ихтемпе-ратуры, но распространение тепла в глубину конвекцией происходить уже небудет. Возникнет прямая термическая стратификация, характеризую-щаяся убываниемтемпературы воды от поверхности в глубину.
Явление постоянства температуры по глубине, устанавливающейся осеньюпосле нарушения прямой стратификации и весной после нарушения обратнойстратификации, называют осенней и весенней гомотермией.
В результате суточного обмена тепла указанная картина несколькоусложняется. Начиная с весны, после того как установится прямая темпера-турнаястратификация, в течение дня верхние слои воды будут нагреваться, а ночью,когда нагревание солнцем прекращается, охлаждаться. Этот про-цесс ведет, вконце концов, к выравниванию температуры в некотором по-верхностном слое воды.В результате на нижней границе этого слоя темпе-ратура резко изменяется,образуя так называемый слой температурного скачка. Слой скачка в течение летанепостоянен; появляясь весной, он летом углубляется и исчезает лишь осенью,когда нагревание озера ослабева-ет.
Слоем скачка вся толща озерной воды разделяется на два слоя:верх-ний (эпилимнион) с малыми градиентами температуры из-за интенсивногоперемешивания и нижний (гиполимнион) также с малыми градиентами, но, наоборот,обусловленными слабым перемешиванием.
Изменение температуры воды в озерах в течение года. В соответ-ствиис годовым ходом составляющих теплового баланса температура воды имеет ясновыраженный годовой ход:
В годовом цикле изменения температуры воды можно выделить сле-дующиепериоды: 1) весеннего нагревания, 2) летнего нагревания, 3) осен-негоохлаждения, 4) зимнего охлаждения.
Период весеннего нагревания начинается с момента, когдаустанавли-вается направленный в воду тепловой поток. На замерзающих озерахве-сеннее нагревание воды начинается еще при наличии ледяного покрова за счетпоглощения проникающей сквозь лед (после схода снега) солнечной радиации.Заканчивается период весеннего нагревания установлением тем-пературымаксимальной плотности во всей толще озера.
Период летнего нагревания начинается с момента перехода гомотер-миив прямую стратификацию. Перемешивание в это время осуществляется главнымобразом деятельностью ветра, при этом по мере усиления прямой стратификациисопротивление перемешиванию возрастает и теплообмен с нижележащими слоямистановится все более затруднительным. Особенно большое сопротивлениеперемешиванию оказывает образующийся летом слой скачка, имеющий большиеградиенты плотности и, следовательно, об-ладающий большой устойчивостью.Конвекция проявляется при этом толь-ко во время ночного охлаждения. Всоответствии с характером распределе-ния температуры по вертикали водная толщадостаточно глубоких озер рас-падается на три слоя: эпилимнион, металимнион игиполимнион.
Металимнион, является зоной температурного скачка. Нижняя грани-цаметалимниона неопределенна и постепенно переходит в гиполимнион.
Период осеннего охлаждения начинается с момента появленияотри-цательного теплового потока и заканчивается установлением температурынаибольшей плотности во всей толще озера.
Период зимнего охлаждения начинается с момента образования об-ратнойстратификации температуры и на замерзающих озерах заканчивает-ся с наступлениемледостава. С установлением ледяного покрова охлажде-ние осуществляется путемтеплопроводности через толщу снега и льда. По-скольку этот процесс идетмедленно, поступление тепла от дна начинает превышать расход путемтеплопроводности и в мелководных озерах часто наблюдается повышение температурыводы после ледостава.
Термические типы озер. Ледовые явления. Влияние озер на кли-матпобережий. В зависимости от характера температурной стратификации озера могутбыть разделены на следующие типы: 1) теплые с постоянной прямой стратификацией,2) холодные с постоянной