5.9.4. Внешний водообмен водоемов

Уравнение водного баланса дает возможность оценить интенсивность внешнего водообмена водоемов - показателя длительности пребывания в котловине поступившей воды. Этот показатель является одной из важней­ших характеристик гидрологического и биологического режимов водое­мов. В качестве основной характеристики внешнего водообмена принят по­казатель условного водообмена:

К_в = (V_пр + V_ос)/V_оз , (5.25)

где V_оз - объем водоема. Показатели К_в рассчитываются в предположении, что весь объем воды водоема заменяется новым за время Т. Это, конечно, является допущением, так как в зависимости от строения котловин воды их различных частей об­мениваются с различной интенсивностью, поэтому и показатели водооб­мена являются условными. Тем не менее этот показатель широко применя­ется для изучения как связи водоема с его бассейном, так и особенностей внутриводоемных процессов. Для решения некоторых частных задач для определения водообмена пользуются отношениями притока или стока из водоема к его объему. Эти отношения называются коэффици­ентами условного водообмена по притоку (К'_в) и по стоку (К''_в). Величина К'_в указывает на роль притока в жизни водоема, а К''_в определяет его транзитно-аккумуляционные возможности. Малые значения К'_в указывают на слабую роль притока, а следовательно, и на преобладание автохтонных процессов в озере. Малые значения К''_в свидетельствуют о высокой акку­муляционной возможности водоема, в котловине которого скапливаются вещества, приносимые с притоком. Значения К_в изменяются в широких пределах и зависят от географи­ческого положения системы, т.е. от увлажненности территории, удельного водосбора и размеров котловины.

Величина, обратная К_в, соответствует периоду времени, в течение которого происходит полная смена воды в водоеме. Интенсивность водообмена водохранилищ, как правило, заметно выше, чем естественных озер, хотя для некоторых круп­ных водохранилищ К_в может быть меньше 0.1–1.0 (Цимлянское, Бухтарминское и др.).

По внешнему водообмену водоемы делятся на следующие классы:

1. Транзитные. Это обычно малые водохранилища. К''_в – от 100 до 300, период водообмена – часы, сутки.

2. Транзитно-аккумулятивные. Это проточные озера и водохранилища. К''_в 10 – 100, период водообмена – недели, месяцы.

3. Аккумулятивно-транзитные. Это средне и слабопроточные озера и водохранилищя. К''_в 1-10, период водообмена – месяцы, годы.

4. Аккумулятивные. Это озера и водохранилища с замедленным водообменном и озера с малым водообменном типа Ладожского, Байкала, Каспия. К''_в от тысячных до 1, период водообмена – годы, сотни лет.

5.9.5. Химический состав вод озер и водохранилищ

Химический состав озерных вод зави­сит от физико-географических условий, от состава вод впадающих рек, биологических процессов, протекающих в самом озере. Решающим фактором, определяющим химический состав воды, яв­ляется климат, создающий общий фон, на котором протекает большинство процессов, влияющих на состав воды. В последнее время большую роль в формировании химического состава воды играют антропогенные факторы.

Как и в реках, содержащиеся в озерной воде вещества, определяющие ее химический состав, можно разделить на несколько групп: ионы, соли, микроэлементы, растворенные газы, биогенные и органические вещества.

Соли, растворяясь в воде, формируют ее минерализацию. Минерализация озер, в отличие от рек, меняется в очень широких пределах и может достигать 300–350 г/кг - образуются рассолы, соле­ность которых может во много раз превышать соленость морской воды. К основ­ным ионам, преобладающим в озерной воде, относятся HCO , CO , SO , Сl^-, Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺ , K⁺. Микроэлементы содержатся в воде в ничтожных количествах. Распределение ионов подчи­няется географической зональности и связано с ионным составом речных и подземных вод. Так, в зоне тундры Северной Америки и Евразии преобладают ионы кремния, в лесной зоне северного полушария – HCO , Са²⁺, в степной зоне – SO , HCO , Na⁺, в зоне полупустынь и пус­тынь – С1^- , в тропической зоне Южной Америки, Африки, юга Азии, се­вера Австралии – Si, HCO . Большим разнообразием ионного состава воды отличаются горные озера.

Одним из важнейших факторов накопления солей в озерной воде явля­ется наличие или отсутствие стока из озера. В сильно проточных озерах накопление солей незначительно, но по мере уменьшения стока из озера их количество возрастает и достигает некоторой предельной величины при равновесии прихода и расхода солей. Поэтому наибольшая минерали­зация воды отмечена в бессточных озерах, в которых аккумулируются все приносимые в них соли. Поступление, расходование и аккумуляция солей определяются солевым балансом, который полностью зависит от водного.

По степени солености воды водоемов делятся на четыре группы:

1. Пресные, с минерализацией до 1 ‰ (предел вкусового ощущения).

2. Со­лоноватые – от 1,0 до 24,7 ‰ (точка совпадения температуры наиболь­шей плотности и температуры замерзания воды).

3. Соленые – от 24,7 до 47 ‰ (наибольшая соленость Мирового океана).

4. Соляные или минераль­ные – более 47 ‰.

Подавляющая часть озер по составу – гидрокарбонатно-кальциевые. К ним относятся: Ладожское, Онежское, Байкал, Мичиган, Гурон, Эри, Виктория. При возрастании минерализации озера переходят в класс суль­фатных и натриевых (Балхаш, Иссык-Куль, Большое Соленое, Тана). Так как минерализация во многом определяется интенсивностью водообмена, то в речных водохранилищах в зоне избыточного и достаточного увлажнения минерализация воды мало отличается от минерализации воды в реках. В зоне недостаточного увлажнения минерализация воды в водохранилище и в реках может раз­личаться.

Растворенные в воде газы делятся на аллохтонные и автохтонные. К аллохтонным относятся газы, поступающие в воду из атмосферы. Это пре­жде всего О₂, N₂, СО₂. К автохтонным относятся газы, образующиеся не­посредственно в водной массе или в донных отложениях. Это также О₂, СО₂, а в илах содер­жатся сероводород (H₂S), метан (СН₄), водород (Н₂), и др., образующиеся при разложении остатков организмов.

Наиболее важным газом в жизни озера является кислород, определяю­щий окислительные процессы в толще воды и донных отложениях. Так как большая часть кислорода попадает в озеро из воздуха, то наиболее обогащен­ными кислородом являются верхние слои воды, а потребле­ние его происходит во всей толще воды и особенно в донных отложениях. Поэтому обычно наблюдается уменьшение О₂ с глубиной. Обратная картина имеет место в распределении СО₂. Однако особенности строения котловины, величина внешнего водообмена, тол­щина и состав иловых отложений создают условия, при которых распределение О₂ по глубине отклоня­ется от нормального. Например, в больших и глубоких холодных озерах, где биологические процессы не интенсивны, количество и распре­деление О₂ зависит от температуры воды и вида стратификации. Поэтому наибольшее его содержание наблюдается зимой, наименьшее - летом; зимой содержание О₂ с глубиной уменьшается, летом - увеличивается. В неглубоких озерах с интенсивными биологическими процессами влияние температуры воды на количество и распределение кислорода резко снижа­ется и главным фактором становится интенсивность окис­лительных процессов. В этом случае наблюдается уменьшение кислорода ко дну. Содержание же СО₂ с глубиной увеличивается. Зимой при нали­чии ледяного покрова и, следовательно, отсутствии поступления О₂ из воздуха расход кислорода настолько велик, что часто наблюдается его по­лное отсутствие. Распределение по глубине кислорода и углекислого газа выравнивается весной и осенью из-за конвекции.

Распределение автохтонных газов также доста­точно сложно. Например, в озерах с большим содержанием кислорода по­явление СН₄, H₂S, как правило, не наблюдается. В озерах с интенсивными биологическими процессами, где кислород в глубинные слои проникает лишь в периоды весенней и осенней циркуляции, а в период стагнации отсутствует, создаются анаэробные условия, способ­ствующие появлению автохтонных газов, образовавшихся в илах тех же СН₄, H₂S, H₂ и др.

Таким образом, распределение растворенных в воде газов зависит от климата (погоды), особенностей строения котловин и сезона. С режимом растворенных газов связано углекислотное равновесие, или активная реакция воды (рН). Величина рН зависит от содержания СО₂ и изменяется от 1,5–2,0 до 10–11, от наиболее кислой до наиболее ще­лочной реакции. Величина рН изменяется по сезонам и в то же время на­блюдается определенная ее зональность.

Биогенные и органические вещества, как и газы, могут быть автохтон­ными и аллохтонными. Их количество и состав также определяются кли­матом, физико-географическими условиями, морфологическими особен­ностями котловин, которые в свою очередь определяют ионный состав воды, биологическую продуктивность, состав биогенных и органических веществ, вносимых в водоем притоками. К биогенным элементам относят­ся соединения азота (NH₄, NO₃, NO₂), фосфора (Р), содержащегося в виде растворенных соединений и в виде взвешенных частиц; соединения крем­ния, железа и др. Биогенным веществам принадлежит исключительная роль во всех биологических процессах, происходящих в водоемах. В процессе развития фитопланктона, высшей водной растительности, ихтиофауны, связанном с этими вещес­твами, происходит круговорот вещества, так как, отмирая, эти биологи­ческие виды вновь переходят в различные растворенные формы биогенов. Органические вещества состоят главным образом из аллохтонных гуминовых соединений, автохтонных образований при фотосинтетической деятельности. Все органические вещества, находящиеся в водоеме, также подвергаются разрушениям и минерализации, удаляются из него и оседа­ют на дне, где также подвергаются разнообразным превращениям.

Распределение биогенных и органических веществ в водоемах подчи­няется определенным закономерностям. В водоемах зоны избыточного увлажнения (тундра, лес), в условиях относительно низких температур, содержание органического вещества аллохтонного происхождения во много раз превосходит содержание автохтонного вещества. Вода прито­ков имеет слабую минерализацию, содержит большое количество гумусо­вых соединений и мало биогенных, так как их бассейны часто сильно забо­лочены. В самом водоеме планктон развит слабо из-за наличия гумуса и низких рН. Так же слаб фотосинтез. Все это приводит к невысокой продуктивности органического вещества в водоеме.

В условиях более высоких температур в водоемах лесной и лесостеп­ной зон значительно благоприятнее условия для образования планктона, притоки богаты биогенными и минеральными веществами и бедны гуму­сом. В таких озерах вода обогащена различными растворенными соедине­ниями органического происхождения. Озера, расположенные в горной местности, содержат мало растворен­ных органических веществ, биологические процессы здесь протекают не интенсивно. В условиях аридного климата преобладают бессточные или периоди­чески сточные минерализованные озера. Эти типы озер бедны раститель­ностью, а количество биогенных и органических веществ, поступающих с бассейнов, зависит от особенностей их расположения.