Расчет составляющих водного баланса для чаши водохранилища

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 8Следующая ⇒

В работе использованы месячные величины составляющих водного баланса для чаши Валдайского водохранилища, которые были получены ранее при обобщении материалов по мониторингу озер Валдайское и Ужин за двадцатилетний период 1975 – 1995 гг. Уравнение водного баланса можно представить в следующем виде:

αX_Of_O + αY_Bf_B + α (H_H – Н_K)f_O – αEf_O – αYF + αPf_O = 0, м³ (3)

где:

X_O – атмосферные осадки на акватории озер, мм;

Y_B – боковой приток в чашу озер с водосбора, мм;

Нн, Нк – соответственно начальный и конечный уровень воды в озерах над «0» графика, мм;

E_O – испарение с акватории озер, мм;

Y – сток из озер по р.Валдайке, мм;

P – невязка (погрешность расчета) водного баланса, мм;

α– переходный коэффициент, учитывающий несовпадение размерностей элементов водного баланса и площадных характеристик (α = 10³);

f_O – площадь акватории озер принята в среднем равной 30,3 км ²;

F - общая площадь водосборного бассейна озер -155,6 км²;

f_B – площадь водосборного бассейна озер -125,3 км².

Разделив все члены уравнения (3) на αf_O получим более удобное выражение

X_O + Y_Bf_B/ f_O + (H_H – Н_K) –E_O –YF/ f_O + P = 0, мм (4)

Атмосферные осадки (X_O) определялись по данным их непосредственных измерений в осадкомерных пунктах, располагающихся вблизи акватории озер.

Испарение воды с акватории (E_O) определялось отдельно для периода ледостава и периода открытой водной поверхности. Для расчета испарения со снежного покрова и льда использовалась извест ная формула:

Eo = (0,24 + 0,05 U₁₀₀₀)d₂₀₀n, (5)

где

U₁₀₀₀– средняя скорость ветра на высоте флюгера (1000 см), м/с;

d₂₀₀– средний дефицит влажности воздуха на высоте 200 см, гПа;

n – число суток в расчетном периоде;

0,24 и 0,05 - эмпирические коэффициенты.

Испарение с открытой водной поверхности озер рассчитывалось в соответствии с «Указаниями по расчету испарения с поверхности водоемов» по формуле:

E = 0,14 n(е_р - е ₂₀₀) (1 + 0,72 U₂₀₀), (6)

где

0,14, 1 и 0,72 – эмпирические коэффициенты;

е₂₀₀– среднее значение упругости водяного пара над водоемом на высоте 200 см. гПа;

е_р– среднее значение максимальной упругости водяного пара, найденное по температуре поверхности воды в водоеме, гПа;

U₂₀₀– среднее значение скорости ветра над водоемом на высоте 200см, м/с;

n – число суток в расчетном периоде.

Значения метеоэлементов на водоеме рассчитаны по средним месячным величинам характеристик по данным метеостанции “Валдай”.

Изменение запасов воды в чаше озер (H_H – Н_K) определялось по данным непосредственных измерений уровня воды на первое число каждого месяца

Сток воды из озер (Y) через бейшлот в истоке р. Валдайки рассчитывался с использованием приведенной ниже формулы (7) истечения жидкости через большое донное отверстие. Для тарировки бейшлота после передачи его ВФ ГГИ были выполнены несколько серий измерений расходов с гидрометрического мостика в нижнем бьефе бейшлота при различных открытиях щита и различных уровнях воды в верхнем бьефе. По данным измерений был построен ряд графиков связи, найдены уравнения кривых и оценены коэффициенты корреляции. Входным параметром для всех графиков была величина открытия щита. Хорошая связь между величиной перепада уровней в верхнем и нижнем бьефе, а также между уровнем по водпосту ВФ и уровнем на нижнем бьефе бейшлота позволяют при установившемся режиме рассчитывать расходы через плотину только по величине открытия щита.

Основной рабочей кривой является кривая, построенная по измеренным расходам. С ней, практически, совпадает кривая, рассчитанная по уравнению для подсчета расхода через затопленное отверстие

Q = m wÖ 2 g z, (7)

где w – площадь отверстия, g – ускорение силы тяжести, величина m – коэффициент расхода, z – это разность уровней между верхним и нижним бьефами бейшлота. Третья кривая дает максимальный расход, который бывает сразу после подъема щита до того момента, пока сформируется сливная призма. Поэтому при расчете по этой кривой используется разность уровней между водпостом ВФ ГГИ и нижним бьефом бейшлота.

Суммарный приток воды в чашу (Y_B) рассчитывается по уравнению водного баланса как остаточный член уравнения (3).

Среднемесячные величины составляющих водного баланса и слоев стока за период 1975 – 1995 гг. приводятся (таблица 11).

Тренды, построенные для этого периода, показывают рост осадков, стока и снижение величин испарения с водной поверхности. Годовые слои притока в чашу озер, рассчитанные по уравнению водного баланса, хорошо согласуются со стоком реки Поломети в створах Дворец и Яжелбицы. Поверхностный сток на воднобалансовых площадках Агроводнобалансового полигона и №4 Лога Таежного практически отсутствует, что говорит о внутрипочвенном характере первого этапа стекания со склона для естественных угодий [15].

Таблица 11 – Средние месячные и годовые величины составляющих водного

баланса и слоев стока по району исследований за период 1975-1995 гг.,

мм слоя[10]

Месяц	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Год
Составляющие водного баланса для чаши озер Валдайское и Ужин
Осадки		42,6	48,2	40,6	55,7	76,5	80,8	96,6	78,3	73,4	65,5
Испарение	5,8	6,1	14,7	32,8	52,5	80,1	86,1	74,9	55,7	39,2	24,3	10,7
Приток в чашу	19,3	22,2	34,4	94,9	45,2	30,7	17,3	16,1			28,7	24,7
Отток, р.Валдайка	30,1	32,1	34,7	49,8	43,3	29,7	15,4	22,3	15,9	29,7	33,9	29,6
Сток логов
Усадьевский	20,5	19,2			22,9		4,2	11,9	19,6	32,4	36,7	25,5
Таежный	7,7	8,2	15,4			10,4	5,9	9,6		20,4	15,2	8,8
Грунтовый сток воднобалансовых площадок
В/б пл.Агрополигона	0,7	9,2	17,6	90,6	13,5		0,4	6,5	7,8	12,7		4,5
В/б пл.№4-Таежного	2,8	6,5		83,2	34,4	5,5		2,6		5,1	5,7	3,5
Сток реки Полометь
Полометь-Дворец	17,1	14,5	24,1		55,8	17,6	10,3	15,5		28,8	29,3	21,4
Полометь-Яжелбицы		17,2	27,8			20,4	12,2	16,5	17,7	28,8	29,5	24,3

Система “водосбор – озеро”. Количественные взаимосвязи в системе “водосбор – озеро” были впервые сформулированы в работах Фолленвайдера, Фолленвайдера и Диллона – в рамках биогенно-нагрузочной концепции увязывались поступление фосфора с водосборного бассейна, глубина озер, время условного водообмена и уровень трофии озер.

L_k = 0.025z ^0.6, (8)

L_k = 0.050z ^0.6, (9)

Lк = [ P ] ^B q_S (1+ Ö Z/ q_S), (10)

где – Lк – величина фосфорной нагрузки гР / (м² год);

q_s = Z / t_w – гидравлическая нагрузка;

Z – средняя глубина;

t_w – время условного водообмена, лет;

[P]^В – концентрация общего фосфора в период весеннего перемешивания в мгР/м³.

Для сохранения олиготрофного состояния принимается – [P]^B £ 10 мг/м³, для сохранения мезотрофного – [ P ]^B £20 мг/м³. В 1980 году Фолленвайдер и др. показывают, что для крупных холодноватых озер с замедленным водообменом величина критической концентрации фосфора должна быть увеличена до 0.025 мг/л.

Уравнениe средней концентрации фосфора в озере было предложено: Диллоном, в1975году:

Lp(1 - Rp)

[ P ]оз. = --- -- ----------, (4)

Z r

где – Lp – фосфорная нагрузка, мгP /м² год; Z – cредняя глубина, м; Rр – коэффициент удержания фосфора в водоеме; r – величина обратная времени водообмена, год ^-1;

Ларсеном и Мерсье, 1975год:

[ P ]_¥ = [ P ]пр. (1 – Rр), (5)

где – [ P ]_¥ – равновесная концентрация фосфора в водоеме, [ P ]пр. – средняя концентрация фосфора в притоке.

Как показал Винберг, при подстановке Rp = 1 - [ 1 /(1 + Ö t_w) эта формула идентична формуле (3).

И.Маккентун предложил в 1968 году ограничение по концентрации общего фосфора в текущих водах – 100 мкг Р/л, а в месте впадения в водоем со стоячей водой – 50 мкг Р/л..

Приравняв правые части уравнений (4 и 5) в притоке, Гусаков получил выражение:

[ P ]пр = - -- ----, (6)

Z r

где – Lp – эмпирическая полученная фосфорная нагрузка, гР/(м² год); Z – cредняя глубина, м; r – величина о бр атная времени, год ^-1. Отношение Lр / Z он назвал “объемной фосфорной нагрузкой” и пересчитал график связи Фолленвайдера, заменив нагрузку, приходящуюся на площадь, “объемной нагрузкой”, т.е. приходящейся на объём. На полученном графике, для 50 озер умеренной зоны, евтрофные отделяются линией концентрации фосфора в суммарном за год притоке, равной 100 мкг Р/л, граница между мезотрофными и олиготрофными определяется линией со значением 50 мкг Р/л, т.е. было найдено статистически обоснованное доказательство для предложения Маккентуна.

Представление об озере и его водосборе как о единой природной системе, предложенное вначале С.В.Калесником, являлось методической основой комплексных исследований, проведенных Институтом озероведения РАН в период 1962 – 1974, 1977 – 1980 гг. Характер использования площади водосборного бассейна определяет величины выноса биогенных элементов в озерные экосистемы. В 1967 году Л.Л.Россолимо в качестве одного из путей высказал предположение о целесообразности регулирования поступления в озера веществ, которые обуславливают эвтрофирование. В Институте озероведения было сформулировано положение об управлении потоками биогенных веществ на водосборе в качестве главной меры борьбы с эвтрофированием озер и водохранилищ. Как отмечали О.А.Алекин, В.Г.Драбкова,И.С.Коплан-Дикс, мы имеем дело не с демографической, а с технологической проблемой. Рост доли благоустроенного жилья и использование фосфорсодержащих детергентов создали значительно больше проблем, чем абсолютный прирост населения за этот же период – выпуски очистных сооружений делаются непосредственно в водные объекты, куда минерализованный и растворенный в воде фосфор поступает по трубам. Аналогичная картина и с поголовьем скота – проблемы возникли не от избыточного количества, а от концентрации его на крупных фермах и порожденных этим затруднений с утилизацией навоза.

Допустимая фосфорная нагрузка, при которой водоем сохраняется в олиготрофном состоянии, и критическая фосфорная нагрузка, превышение которой сдвигает водоем к эвтрофному состоянию, рассчитанные по приведенному выше уравнению Фолленвайдера (формула 8), для концентрации Робщ в озере в период весенней гомотермии, равной 10 и 25 мкгР/л соответственно, а также фоновая нагрузка, рассчитанная по нашим данным выноса общего фосфора с лесных водосборов, приведены в (таблица 11). Сравнение фоновой и допустимой для сохранения водоема в олиготрофном состоянии величин показывает, что фоновая была всегда несколько выше допустимой, по крайней мере, с периода климатического оптимума, с которого начинается процесс отложения органических илов [11].

Таблица 11 – Фоновая, допустимая и критическая фосфорные нагрузки на озера Валдайское и Ужин, гР/м²год [11]

	Оз.Валдайское, 1 плес	оз. Валдайское	оз. Ужин
Фоновая нагрузка	0.084	0.059	0.104
по Фолленвайдеру, для Квес.=10мкгР/л	0.072	0.055	0.086
по Фолленвайдеру, для Квес.=25мкгР/л	0.180	0.139	0.215

Сравнение величин критической нагрузки с представленной ниже (рисунок 2) наблюденной говорит о том, что в период 1980 – 1990 гг. фосфорная нагрузка на Валдайское озеро превышала критическую в 1.5-2.7 раза, а нагрузка на первый плес, принимающий стоки г. Валдая, была выше допустимой в 1.5-3.3 раза.

В сентябре 1982 года впервые содержание растворенного кислорода в придонном горизонте 2-го плеса Валдайского озера упало до аналитического нуля, подобная ситуация повторилась в сентябре 1983 года, апреле 1984 года, августе 1985 года. прозрачность по белому диску 10.08.1986 упала до 1.3-1.4 метра и в течение всего августа не превышала 1.9 м. Подобное снижение прозрачности до 1.2-1.4 м было отмечено и в начале июля 1991 г.

Рисунок 2 – Изменение фосфорной нагрузки на систему озер Валдайское и Ужин в период 1977-1995 гг., гР/м²год.

В 90-е годы, в связи с резким ухудшением экономической ситуации, происходит устойчивое снижение биогенной нагрузки со стороны г. Валдая, объектов сельского хозяйства и рекреационного комплекса. По сути дела, возникла экспериментальная ситуация, когда осуществилась значительная часть водоохранных предложений, выдвинутых ВФ ГГИ после выполнения в 1987-1990 г.г. комплексной темы по изучению уровней загрязнения Валдайского озера. Реакция экосистемы озер на снижение нагрузки выразилась в улучшении кислородного режима придонных горизонтов (рисунок 3), росте прозрачности, снижении концентрации хлорофилла “а”[14].

Рисунок 3 – Сравнительный график изменений средних за сезон концентраций хлорофилла “а”по рейдовым вертикалям озер Валдайское и Ужин за период 1987 – 2006 годы, мкг/л.

Содержание растворенного кислорода в водоеме является интегральной характеристикой, являющейся, с одной стороны, следствием протекающих в водоеме процессов создания органического вещества и его деструкции, а с другой стороны – фактором, определяющим условия жизнедеятельности ихтиофауны. Согласно справочника [4]минимальная концентрация, необходимая для нормального развития рыб, составляет 5мгО2/л, понижение её до 2 мгО2/л вызывает их массовую гибель. Неблагоприятно и пересыщение воды кислородом.

Работа выполнена на материалах по системе озер Валдайское и Ужин:

· по хлорофиллу «а» за 1987 – 2011 гг.;

· по растворенному кислороду, скляночный метод, за 1987 – 2012гг.

· по растворенному кислороду, оксиметр, за 2005 – 2012гг.

Различия в морфометрических особенности отдельных плесов системы озер Валдайское и Ужин позволяют рассматривать их как отдельные озера, обмен между которыми затруднен и происходит через узкие проливы. Ранее была показана взаимосвязь открытости плесов для ветрового воздействия с максимальными теплозапасами, распределением температуры по вертикали, с долями хлорофилла «а», прошедшими через термоклин в гиполимнион, со скоростями оседания органического вещества [19]. На (рисунок 4) показан пример температурной стратификации трех плесов с различной открытостью для ветрового воздействия в конце периода летней стагнации 2012 года [20].

Вертикальное распределение температуры

на рейдовых вертикалях озер Валдайское и

Ужин

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

Температура

ОС

Глубина

Рисунок 4 – Вертикальное распределение температуры на рейдовых вертикалях озер Валдайское и Ужин за период летней стагнации 2012 года.

Основной вклад в продукцию органического вещества рассматриваемых озер вносит фитопланктон. На (рисунке 5) приведен ход средних за сезон открытой воды концентраций хлорофилла «а» в период 1987 – 2011 гг. Ежегодно определялось среднее из 18 интегральная проба из слоя, равного величине 3-х прозрачностей по белому диску; определения выполнялись по общепринятой методике. В последние годы концентрации хлорофилла «а» на рейдовых вертикалях держатся на уровне, близком к мезотрофному – 3 – 3,5 мкг/л. Ухудшение экологического состояния происходит в литоральной зоне – на аккумулятивных участках прибрежной полосы увеличиваются заиление и зарастание водно-воздушной растительностью. В карманах береговой линии формируются очаги перегнивания органического вещества, в которых чередуются периоды пересыщения до 160% с периодами падения насыщения до 40% и менее. Сравнительный ход насыщения в поверхностном горизонте на рейдовой вертикали 1 плеса, в заливе у КНС совхоза-техникума – т.Кнс0, в приустьевой зоне руч. Архиерейского – т.Арх0 за сезон 2009 года приведен (рисунок 6)

Рисунок 5 – График изменений средних за летний сезон концентраций хлорофилла “а” на рейдовых вертикалях озер Валдайское и Ужин за период 1987 –2011 гг, мкг/л.

Уже первые подробные измерения содержания растворенного кислорода в 1991году показали неравномерность распределения, как в верхнем перемешанном слое, так и в слое температурного скачка. Стало очевидно, что традиционный отбор проб на стандартных горизонтах не описывает процесс изменения концентраций.

Совместный анализ вертикального распределения кислорода и температуры озер Валдайское и Ужин показал, что в условиях термической стратификации в деятельном слое формируются экстремумы содержания растворенного кислорода – подповерхностные максимумы при мелком, 2-3 метра, залегании термоклина; и металимниальные минимумы – по мере погружения термоклина на большую глубину.

Наличие металимниального минимума в большей степени определяется термической стратификацией и мощностью деятельного слоя, чем трофическим статусом водоема. Для Валдайских озер металимниальный минимум кислорода хорошо выражен во второй половине вегетационного периода при концентрациях хлорофилла 1-3 мкг/л.

Рисунок 6 – Ход насыщения кислородом в точках P1,Арх0,Кнс0 в период 03.04 – 20.10.09г., горизонт 0,1м.

В (таблице 12) представлены минимальные содержания за отдельные периоды наблюдения по горизонтам, которые позволяют определить тенденции кислородного режима для открытых частей озера. И хотя случаи аноксии в последние годы не наблюдаются, ситуация продолжает оставаться напряженной, а ухудшения экологического состояния происходит на аккумуляционных участках береговой линии, которые выводятся из рекреационного использования в результате заиления и активного зарастания погруженной и водно-воздушной растительностью [14].

Таблица 12 – Минимальные содержания растворенного кислорода, отмеченные в периодс 1964 по 2012 год на горизонтах рейдовых вертикалей озера Валдайское, мг/л [10]

Валдайское озеро, рейдовая вертикаль Городского плеса, Р1
Глубина	1964-1974	1982-1986	1987-1990	1991-1995	1996-2000	2001-2005	2006-
	8,3	6,53	8,82	10,7	9,21	9,48	9,02
-5	8,3	6,45	8,35	9,68	9,17	9,67	9,06
-10	5,3	2,7	3,46	8,86	8,36	5,62	5,15
-20	6,2	3,17	3,31	4,54	5,5	4,6	5,46
-38	4,6	2,5	0,86	0,93	3,07	4,86	0,83
-40	3,6	0	0,31	0,55	0,46	1,69	0,59
Валдайское озеро, рейдовая вертикаль Долгобородского плеса, Р2
Глубина	1964-1974	1982-1986	1987-1990	1991-1995	1996-2000	2001-2005	2006-
	8,8	6,52	8,6	8,24	8,36	8,76	8,61
-5	8,7	6,45	8,64	7,48	8,00	8,70	8,92
-10	5,5	2,06	2,92	3,69	7,70	6,33	4,17
-20	5,35	1,16	0,24	0,88	1,60	1,28	2,6
-33		0,08	0,2	0,32	0,53	0,42	1,08
-35	0,8	0	0	0,25	0,3	0,45	0,72

Дата добавления: 2015-12-19; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!