Изменчивость термического состояния Можайского водохранилища в вегетационный период

При увеличении антропогенного воздействия на природу возникла проблема качественного изменения вод суши. Для борьбы с ухудшением гидроэкологической ситуации наряду с использованием технических средств необходимо математическое описание формирования гидроэкологического режима водных объектов. Особенно важно математическое моделирование процессов для проектирования и эксплуатации водохранилищ — водоемов с управляемым водным режимом, число которых в мире достигло 60 ООО, их водные ресурсы составляют 6500 км³, увеличивая емкость и замедляя водообмен речных систем (Авакян, Яковлева, 1999). Например, в США число водохранилищ с объемом более 1 млн. м3 составляет 12 ООО (Graf, 1999), а России их более 2 ООО (Эделыптейн, 1998).

Температура воды является одновременно причиной (фактором) и следствием не только метеорологического, динамического, но даже биологического режима водохранилищ. Это создает сложность и актуальность исследований термического состояния и теплообмена, его воздействия на биотическую составляющую экосистемы, в том числе на такие процессы и явления как эвтрофирование, цветение и ухудшение качества воды. Водохранилища долинного типа составляют 73% от общего числа водохранилищ (Эдельштейн, 1983). Они в последнее время занимают все более важное место в системах питьевого водоснабжения наиболее плотно населенных регионов Земли. В частности объект исследований данной работы — Можайское водохранилище — является наиболее крупным из четырех водохранилищ Москворецкой системы водоснабжения г. Москвы. Помимо функции водоснабжения Можайское водохранилище имеет большой рекреационный потенциал, поэтому подробное изучение его гидроэкологического режима является важной задачей.

Цель работы — изучение условий формирования синоптических температурных циклов в характерные по термическому режиму годы, их влияние на термический и гидроэкологический режим водохранилища на основе данных регулярных сорокалетних гидрологических наблюдений на водном посту Красновидово, рейдовых наблюдений и экспресс-съемок водохранилища в отдельные фазы гидроэкологического режима, а также расчетов термического режима водохранилища по модели тепло-массообмена долинного водохранилища (ТМО), разработанной в Красновидовской лаборатории водохранилищ кафедры гидрологии суши географического факультета. Для проверки адекватности воспроизведения моделью синоптических колебаний температуры воды в различных районах водохранилища было проведено сравнение расчетов с данными экспресс-съемок и рейдовых наблюдений, проверка чувствительности модели к некоторым метеорологическим и гидрологическим характеристикам, служившими исходными данными в расчетах, а также численные эксперименты для определения роли свободной конвекции и ветрового перемешивания в формировании вертикальной термической структуры.

В работе использованы данные полевых наблюдений на Можайском водохранилище, проведенных в 1961;2000 гг., включающие материалы метеорологических, водомерных, многосуточных рейдовых, экспедиционных наблюдений и экспресс-съемок водохранилища, данные наблюдений метеостанции Можайск, метеорологической обсерватории МГУ, а также обобщение и анализ литературных данных об особенностях термического режима наиболее экологически изученных водохранилищ России.

Научная новизна и защищаемые положения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика выделения в гидрологическом режиме водохранилища синоптических температурных циклов.

2. Проведена оценка адекватности расчета температуры воды моделью ТМО в синоптическом временном масштабе.

3. Дана оценка роли компонентов внешнего И внутреннего вертикального теплообмена в отдельные фазы синоптических температурных циклов в морфологически различных районах водохранилища.

4. Впервые проведена оценка роли компонентов горизонтального теплообмена между различными районами водохранилища в их термическом режиме.

5. Оценена роль процессов свободной конвекции и ветрового перемешивания в формировании термической структуры водохранилища в разные сезоны вегетационного периода года.

6. Выделены три типа формирования сезонного слоя температурного скачка.

7. Показано влияние синоптических температурных циклов на внутрисуточные, сезонные и многолетние колебания температуры воды в водохранилище.

8. Показана роль синоптических температурных циклов в развитии фитопланктона водохранилища.

На защиту выносятся:

1. Методика выделения гидрологически значимых синоптических температурных циклов.

2. Результаты оценки пространственно-временной изменчивости температуры водной толщи в разные фазы синоптических температурных циклов.

3. Типизация формирования слоя температурного скачка.

4. Оценка значимости процессов свободной конвекции и ветрового перемешивания в формировании термической структуры водохранилища в разные сезоны вегетационного периода.

5. Значение компонентов вертикального и горизонтального теплообмена в формировании термической структуры различных районов водохранилища.

6. Влияние синоптических температурных циклов на внутрисуточный ход температуры воды.

7. Зависимость роста весеннего фитопланктона от температуры и уровня воды в водохранилище.

Практическая ценность работы заключается в оценке чувствительности модели к исходным Данным, в проверке адекватности модели при воспроизведении синоптических колебаний термической структуры водной толщи, поскольку на ее основе разработан программный комплекс для оперативного управления водным режимом крупных водохранилищ Волжского каскада (Даценко, Черкасов, 2001). Выделены способы формирования слоя температурного скачка, произведены расчеты и анализ составляющих горизонтального теплообмена.

Апробация работы. Представленные в диссертации результаты исследований докладывались на Всероссийской конференции «Взаимодействие в системе литосфера-гидросфера-атмосфера» (Москва, 1996), Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов — 97» (Москва, 1997), V Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 1999), XIII Всероссийской научно-практической конференции изыскателей Гидропроекта «Современные проблемы инженерных изысканий в гидроэнегретике» (Солнечногорск, 2000), III Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» (Москва, 2001).

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научном семинаре и заседании кафедры гидрологии сущи географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автор благодарит за консультации и ценные замечания сотрудников кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ и Красновидовской лаборатории по изучению водохранилищ, особенно В. В. Пуклакова и А. В. Гончарова, а также сотрудников кафедры физики моря Физического факультета МГУ Б. И. Самолюбова и Н. С. Блохину и ИВП РАН за помощь в сборе полевого материала при совместных исследованиях Можайского водохранилища в 1995;2000 гг.

Заключение

.

Осредненный за многолетний период годовой ход температуры поверхности воды однотипен в разнообразных по размеру, глубине и проточности российских водохранилищах. При подекадном осреднении температуры заметен сдвиг сроков начала и конца периодов нагревания и охлаждения, определяющийся географическим положением водоема, а также больший прогрев массы воды при слабом водообмене и сложной форме водохранилища.

Для долинных водохранилищ продольная асимметрия ложа и существенные колебания уровня воды — наиболее важные факторы термического режима, которые сильнее всего проявляются в водохранилищах многолетнего регулирования стока. Из-за малой амплитуды колебаний температуры зимой и слабой стратификации воды в водохранилищах, несмотря на длительный период ледостава (до 6 месяцев), межгодовая изменчивость их термического режима определяется процессами теплообмена в безледный период. Наибольшая изменчивость температуры воды характерна для поверхностного слоя воды и в Можайском водохранилище ее лучше всего характеризуют данные наиболее регулярных наблюдений на водомерном посту Красновидово в центральном, наиболее обширном и в то же время относительно глубоком районе.

Существуют несколько временных масштабов колебаний температуры воды в водохранилище: долгопериодные (многолетные и сезонные) и короткопериодные (синоптические и внутрисуточные). В водоемах суши умеренного пояса, климат которого характеризуется частой сменой погоды, синоптические температурные циклы определяют изменчивость термического состояния водной экосистемы: с одной стороны они искажают суточный цикл температуры: при похолодании температура воды на вертикали постоянно уменьшается, а при потеплении наблюдается четко выраженный послеполуденный максимум с минимумом ранним утром. С другой стороны синоптические температурные циклы деформируют годовой температурный цикл, что проявляется в изменении даты годового максимума температуры поверхности воды, в сильной асимметрии ее годового хода и т. д.), а интенсивность и выраженность этих циклов в течение года влияет на многолетние колебания среднегодовой температуры.

В Можайском водохранилище выявлено два максимума пространственной изменчивости температуры воды: в весенний и осенний периоды, вследствие неодинаковой скорости нагревания и охлаждения верховьев и приплотинного района, в летний период эта изменчивость обусловлена периодическими сгонно-нагонными колебаниями водной поверхности, сопровождающимися апи даунвеллингом у приглубых участков берегов.

Для изучения термической структуры водохранилища целесообразно использовать модель тепло-массообмена, воспроизводящую ежесуточные изменения термической структуры водоема и компонентов теплового баланса. Она позволяет реализовать диагностические возможности расчетов термического режима водохранилища в годы с различным гидрометеорологическим режимом для суждения о развитии процессов внешнего и внутреннего теплообмена в разных районах водохранилища между отдельными гидрологическими съемками и оценить роль этих процессов в синоптической трансформации термической структуры долинного водохранилища.

Впервые произведенное нами сравнение данных рейдовых наблюдений, съемок Можайского водохранилища и модельных расчетов показало, что модель ТМО адекватно воспроизводит наблюдаемые синоптические колебания температуры воды в относительно глубоководном и стратифицированном водохранилище. Различие рассчитанных по модели значений с наблюдаемыми того же порядка, что и внутрисуточные колебания и пространственная неоднородность температуры воды в пределах районов, представленных расчетными отсеками.

Для дальнейшего совершенствования модели ТМО с целью повышения точности расчета изменчивости термического состояния водохранилища необходимо прежде всего повысить надежность оценки среднесуточных значений температуры воды на акватории расчетных отсеков модели. При сильном ветре желательно увеличение числа станций из-за сгонно-нагонных явлений. В условиях слабого ветра и переходного типа погоды (от антициклонической к циклонической), модель почти идеально воспроизводит распределение средних по вертикали значений температуры воды. В эти периоды достаточно использовать сокращенную сетку станций экспресс-съемки. Для более полной характеристики термического режима долинных водохранилищ в разныхвременных и пространственных масштабах желательно сочетать традиционные методы рейдовых наблюдений и гидролого-гидрохимических съемок с математическим моделированием термического режима. Модель ТМО может использоваться для оперативной оценки термического состояния крупных районов долинных водохранилищ европейской части России и для краткосрочных прогнозов при наличии метеорологического прогноза облачности, температуры воздуха и скорости ветра.

Численные эксперименты с вариацией входных данных для модели ТМО показали, что ошибки расчета термического режима заметно возрастают при недостаточно надежных среднесуточных значениях температуры воздуха и скорости ветра. В то же время допустимо среднесуточные значения общей и нижней облачности задавать с погрешностью до 1−2 балла, температуру воды притоков водохранилища рассчитывать по значениям температуры воздуха с учетом инерционности прогрева и охлаждения речных водных масс, прозрачность воды при отсутствии наблюдений — задавать в расчетных отсеках по среднемноголетним значениям продзрачности воды для отдельных фаз экологического режима водохранилища.

Анализ изменения термической структуры в расчетные годы подтвердил наличие наклона изотерм в сторону зоны выклинивания подпора в фазы охлаждения, и в сторону плотины в фазы нагревания не только в течение всего вегетационного периода, но и в фазы отдельных синоптических температурных циклов.

Модельный расчет ежедневного распределения температуры воды позволил установить три различных механизма образования сезонного слоя температурного скачка: при заглубления синоптического слоя скачка, при нагревании водной толщи и низкой температуре в придонном слое водохранилища и при длительном ветровом воздействии на водоем в период его весеннего нагревания.

Численными экспериментами на модели показано, что в фазы весеннего нагревания и раннего лета, когда среднесуточная температура воздуха превышает температуру поверхности воды и турбулентный темлообмен является приходной составляющей суточного теплового баланса, ветровое воздействие на водную поверхность имеет б’олынее влияние в вертикальном перемешивании, чем свободная конвекция. Летом, когда возрастает интенсивность теплопотерь с нагретой воды, особенно велика роль конвективного перемешивания в усилении устойчивости верхней границы СТС при его постепенном погружении, чем ослабляется динамическое ветровое перемешивание воды в СТС. В это время свободная конвекция способствует увеличению продолжительности периода стратификации, противодействуя ветровому разрушению СТС. В период осеннего охлаждения при усилении ветрового воздействия оба процесса практически одинаково влияют на охлаждение водной толщи при углубляющемся перемешивании и погружении сезонного СТС на дно русловой ложбины.

Расчет составляющих теплообмена водоема с атмосферой за каждые сутки расчетного периода показал, что структура приходной части теплового баланса несколько варьирует в разные фазы синоптических температурных циклов внутри года и зависит от его метеорологической особенности — «холодный» год или «теплый»: главной составляющей приходной части теплового баланса является поглощенная водой солнечная радиация, а в период весеннего нагревания и отдельные особенно жаркие дни фаз нагревания синоптических температурных циклов приходными составляющими являются турбулентный теплообмен и даже эффективное излучение. В расходной части теплового баланса во всем водохранилище доля потерь тепла на испарение и за счет эффективного излучения в среднем больше в фазу нагревания, чем в фазу охлаждения синоптических температурных циклов. Для турбулентного теплообмена — наоборот. В глубоководном районе потери тепла на испарение больше в любую фазу, чем в мелководном. И в верховьях и в прйплотинном районе в фазу нагревания основные потери тепла происходят за счет испарения и эффективного излучения, т. е. доминирующий фактор — температура воды. А в фазу охлаждения основные потери тепла происходят за счет испарения и турбулентного теплообмена, т. е. доминирующий фактор — ветер.

На изменение запаса тепла и температурный режим верхнего района водохранилища оказывает влияние в равной мере теплообмен с атмосферой и адвективные составляющие теплообмена: приток тепла с речными водами (особенно в теплую весну) и также плотностные противотечения в фазы резкого похолодания. Вследствие поступления в него воды с плотностным течением из центрального района водохранилища для приплотинного района горизонтальный теплообмен имеет значение, соизмеримое с составляющими вертикального теплообмена только осенью. В целом горизонтальный теплообмен является важным фактором перераспределения тепла, поступившего в слабопроточное долинное водохранилище извне, включая и тепловой сток с водосбора.

Исследование изменения теплового стока и температуры воды р. Москвы Можайским водохранилищем показало, что относительно глубоководное, слабопроточное и стратифицированное долинное водохранилище увеличивает тепловой сток зарегулированной им реки в вегетационный период в годы с уровнем, близким к НПУ. При уровне воды в водоеме существенно ниже НПУ тепловой сток р. Москвы уменьшается из-за сокращения объемов сбрасываемой воды. Основной фактор, определяющий тепловой сток из водохранилища — это не только температура воды, но и ее расход. Температура воды в нижнем бьефе определяется температурой сбрасываемой воды через поверхностные и придонные водосбросы: в годы с высоким уровнем воды в водохранилище температура сбрасываемой воды в среднем ниже, чем температура воды притоков.

Как показал анализ рейдовых наблюдений, погодные условия оказывают значительное влияние на суточный ход температуры воды на вертикали. Он отсутствует в фазы похолодания гидрологически значимых синоптических температурных циклов при циклонической погоде. Наиболее ярко выражены внутрисуточные колебания не в период жаркой погоды, а в фазу нагревания при смене циклонической погоды на ясную и штилевую.

Зависящая от погодных условий термическая структура водной толщи определяет глубину термического воздействия сгонно-нагонных колебаний водной поверхности: в циклонический период, при отсутствии синоптического слоя температурного скачка, сгонно-нагонные явления выражены во всей толще воды, а при наличии слоя температурного скачка глубина их проникновения определяется сочетанием таких факторов, как скорость ветра и устойчивость слоя скачка к перемешиванию. Продолжительность свободной конвекции в течение суток различна в зависимости от фазы синоптического цикла: наименее продолжительна она в ночные часы на максимуме цикла, а в фазу охлаждения и на минимуме цикла может длиться целые сутки.

Учащенные рейдовые наблюдения с интервалом 15 мин позволили зафиксировать короткопериодные колебания температуры воды водной толщи связанные с внутренними волнами с амплитудой и периодом, соответствующими локальной сейше в пределах одного плеса.

За сорокалетний период существования водохранилища выявлено климатически обусловленное увеличение продолжительности вегетационного периода и периода летней устойчивой стратификации водной толщи.

Несмотря на очевидную зависимость роста водорослей от температуры воды, синоптические температурные циклы в водохранилище не всегда сопровождаются соответственными изменениями биомассы фитопланктона из-за многофакторности его развития. Изменение биомассы весеннего фитопланктона хорошо согласуется с изменениями температуры и уровня воды в водохранилище.

При отборе проб фитопланктона необходимо учитывать такой фактор, как сгонно-нагонные явления, влияющие на перераспределение фитопланктона по акватории.

Таким образом, нами установлены причины и особенности развития синоптических температурных циклов, показано их важное значение для внутригодовых и многолетних колебаний экологического состояния долинного водохранилища многолетнего регулирования стока, показаны возможности его краткосрочного оперативного прогнозирования. Это относится к наиболее распространенным в России небольшим слабопроточным долинным водохранилищам многолетнего и глубокого сезонного регулирования речного стока — важным источникам водоснабжения, и в то же время наиболее удобным объектам отдыха и рыболовства.