Колебания уровней воды в озерах

Колебания уровней воды в озерах, а также и в водохранилищах делятся на абсолютные и относительные. Под первыми понимаются колебания, вызванные изменением объема воды в озере, т.е. в конечном счете изменением соотношений между элементами его водного баланса. К относительным относятся колебания уровней, вызванные действием на свободную поверхность ветра и колебаний атмосферного давления, т.е. не связанные с изменением объема воды в озере.

Рис. 46. Графики расходов притока и стока (а) и колебания уровней воды в озере (б)

Связь колебаний уровней с изменением соотношений между притоком и стоком воды в проточном озере иллюстрируется на рис. 46. В верхней части рисунка даны гидрографы притока и стока. Штриховкой показан объем воды, аккумулирующейся в озере за время половодья. В нижней части рисунка показан график колебания уровней. Максимальный уровень воды в озере достигается в тот момент времени, когда расходы притока и стока становятся равными.

Для больших озер характерна большая разница между годовой амплитудой колебания уровней и амплитудой многолетней. Так, у Ладожского озера годовая амплитуда колебания уровней составляет около 0,5 м, а разность между максимальным уровнем многоводного 1924 г. и минимальным уровнем маловодного 1939 г. равна 3,4 м. Объясняется эта особенность режима больших озер малыми значениями их коэффициентов водообмена. Для того чтобы уровень воды в большом озере поднялся до своих наивысших отметок, нужны несколько лет повышенного притока. Для того чтобы уровень сильно упал, нужны несколько маловодных лет.

Действие ветра на свободную поверхность водоемов вызывает многосторонние последствия. Непосредственным результатом этого действия являются ветровые волны. У озер с большой площадью зеркала размеры волн могут приближаться к размерам волн в морях. Так, при штормовых ветрах высота волн достигает: в Ладожском озере 6 м и в Онежском озере 4 м. Примерно такую же высоту (» 5 м) имеют, при сильных штормах, волны на озере Байкал (процессы образования и развития волн рассматриваются в гл. IX).

Между ветровым потоком воздуха и взволнованной водной поверхностью возникает сила трения, под действием которой поверхностные слои воды стремятся двигаться в направлении ветра. Такие течения, широко распространенные в озерах, водохранилищах и в Мировом океане, называются дрейфовыми. Как будет показано в гл. IX, на направление дрейфовых течений в океане оказывает важное влияние кориолисова сила инерции. Во внутренних водоемах влиянием этой силы в большинстве случаев можно пренебрегать. Перемещение водных масс в направлении ветра приводит к перекосу свободной поверхности – нагону воды у наветренного берега и сгону у подветренного. Такие перекосы называются сгонно-нагонными денивеляциями уровней. Они особенно велики в озерах с пологими берегами. У имеющего пологие берега Аральского моря, до его обмеления, величина денивеляции (разность уровней у наветренного и подветренного берегов) достигала при сильных ветрах 2 м.

Уклон свободной поверхности при денивеляции создает в толще воды горизонтальный градиент давления, под действием которого глубинные слои воды получают скорости, направленные обратно скоростям дрейфового течения. Таким образом, в вертикальной плоскости толща, воды в озере делится на две области: область поверхностного дрейфового течения и область донного градиентного течения (рис. 47). Когда расход градиентного течения становится равным расходу дрейфового течения, перекос уровней перестает расти, денивеляция делается установившейся. В связи с ограниченностью времени действия ветра и колебаниями его силы состояние установившейся денивеляции не бывает продолжительным.

Рис. 47. Течения: 1 – дрейфовое; 2 – градиентное; (W – скорость ветра)

Особое явление динамики водных масс в озерах представляют сейши. Так называются свободные периодические колебания поверхности озера, возбужденные кратковременной резкой разницей между величинами атмосферного давления на противоположных его оконечностях. Колебания идут с собственной частотой колебаний массы воды в озере, которая вся оказывается вовлеченной в колебательный процесс. Наибольшее развитие сейши имеют в глубоких озерах. Различают одноузловые (рис. 48) сейши, когда свободная поверхность колеблется около одной горизонтальной оси, и двухузловые сейши, когда свободная поверхность колеблется относительно двух параллельных горизонтальных осей.

Период колебаний определяется формулами Мериана:

Рис. 48. Схемы одноузловой (а) и двухузловой (б) сейш

для одноузловых сейш

(91)

для двухузловых

(92)

В этих формулах:

где: L_в – длина озера в плоскости колебаний;

h_ср – средняя глубина озера.

Период T обычно составляет от нескольких десятков минут до нескольких часов. Денивеляции, создаваемые сейшами, не бывают так велики, как сгонно-нагонные денивеляции.