Гидрология суши: озёра

В монографии излагаются основы научной дисциплины «Гидрология озёр», рассматриваемые в соответствии со структурой задач, введённой «Классификатором тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов дистанционного зондирования Земли», область темати... больше
455
Просмотров
Книги > Наука
Дата публикации: 2015-01-25
Страниц: 206

Пудовкин О.Л. [Введите название организации] [Введите название документа] Гидрология суши: [Введите подзаголовок документа] озёра Asus PC [Выберите дату] Москва, 2015


Пудовкин О.Л. Гидрология суши: озёра Москва, 2015 1

УДК 556 (075.8) ББК 26.22я73 Пудовкин О.Л. Гидрология суши: озёра. – Открытая платформа электронных публикаций SPUBLER. Дата публикации: 2015-01-25. - 205 с. В монографии излагаются основы научной дисциплины «Гидрология озёр», рас- сматриваемые в соответствии со структурой задач, введённой «Классификатором тема- тических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с исполь- зованием материалов дистанционного зондирования Земли», область тематических задач «Поверхностные воды». Монография ориентирована на разработчиков космических систем дистанционного зондирования Земли (КС ДЗЗ) из космоса, поскольку эффективность жизненного цикла данных систем во многом определяется глубиной научного понимания решаемых задач специалистами, их создающими. К сожалению средства ДЗЗ и получаемые ими данные часто рассматриваются как панацею. Материал монографии поможет здраво определить возможности космоса заказчикам, учесть особенности создаваемых КС ДЗЗ для решения задач гидрологии озёр конструкторам и эффективно использовать возможности КС ДЗЗ эксплуатирующим организациям. Материал монографии может быть использован при подготовке специалистов кос- мической отрасли и, возможно, заинтересует профессионалов - лимнологов. Пудовкин Олег Леонидович. Научные интересы в областях: системный ана- лиз, теория систем и управления, техногенное и кос- могенное засорение космоса, международное косми- ческое право, геофизика, глобальные космические системы связи и навигации, управление проектами. Более 100 научных публикаций и 15 моногра- фий. Доктор технических наук, член-корреспондент Академии космонавтики и Академии военных наук. В космической отрасли с 1968 года: ВИКА им. А.Ф. Можайского, Командно-измерительный ком- плекс МО РФ, Научно-технический комитет РВСН, Военно-научный комитет Космический войск; вице- президент, главный конструктор, советник в органи- зациях космической отрасли; эксперт космического кластера Фонда «Сколково». Доктор технических наук Пудовкин О.Л. e-mail: PudovkinOL@yandex.ru 2


Оглавление Стр. Введение 4 1. Водные ресурсы озёр 6 2. Морфология и морфометрия озёр 17 3. Классификация озёр 23 3.1. Классификации характеристик озёрных систем 23 3.2. Классификации характеристик водных экосистем 43 3.3. Классификации экологического состояния воды 53 4. Динамика озёрных вод 60 4.1. Глобальный гидрологический цикл 60 4.2. Водный баланс озера 62 4.3. Режим уровня озера 71 4.4. Течения озёр 86 5. Динамика прибрежной области озёр 98 6. Водные массы озёр 108 6.1. Вода и её свойства 110 6.2. Тепловой баланс озёр 117 6.3. Термический режим и теплозапас водной массы озёр 121 6.4. Ледовые явления 126 7. Опасные природные лимнологические явления 131 7.1. Гидрометеорологические опасные явления 132 7.2. Геологические опасные явления 150 8. Антропогенные воздействия на озёра 169 8.1. Изменение свойств котловин и чаш озёр 169 8.2. Нарушение водного баланса озёр 172 8.3. Загрязнение озёр 178 9. Классификатор тематических задач гидрологии озёр 198 Заключение 201 Литература 202 3

Введение Сложные гидрологические объекты суши, как речные, озёрные, озёрно-речные си- стемы; болота, ледники и грунтовые воды, а также определяющие их процессы: внешний и внутренний водообмен озёр, колебания водной поверхности, заболачивание, движение ледников, разгрузка подземных вод и т.д., характеризуются широким спектром свойств и методов исследования. Объекты исследования часто не имеют чётко выраженных гно- сеологических и онтологических границ, что свойственно историческому процессу раз- вития науки гидрологии и важному её разделу – гидрология водоёмов суши. Гидрология водоёмов суши, которая в ряде научных трудов понимается как сино- ним озероведения и лимнологии, изучает континентальные воды с замедленным водооб- меном: озёра, пруды, обводнённые карьеры и водохранилища, которые входят в класс водоёмов и располагаются в углублениях суши. По направлению исследований гидроло- гия водоёмов суши относится к географическим наукам, развивается в тесном контакте с метеорологией, океанологией, гидробиологией, гидрохимией, гидрофизикой, геоморфо- логией и физической географией. Некоторые учёные считают её разделом физической географии. Главная задача – комплексное исследование развития водоёмов и их роли в глобальном гидрологическом цикле, изучение физических, химических и биологических процессов, взаимодействие которых определяет экологические особенности озёр и водо- хранилищ, их гидрологическую структуру и гидролого-гидрохимический режим. В конце XIX века швейцарский ученый Франсуа-Альфонс Форель, основатель со- временной лимнологии [от греч. λίμνε - озеро и λόγος - учение] – наука о физических, химических и биологических особенностях озёр и других пресных водоёмов – определил природное озеро, как «…массу стоячей устойчивой воды, расположенную в земной де- прессии и не имеющую прямого сообщения с морем». В работе известного российского лимнолога С.В. Рянжина [53] отмечено, что очень многие озера не подпадают под это определение. Например, из Ладожского озера на Северо-Западе России вытекает река Нева, которая впадает в Балтийское море. И, наоборот, можно ли считать озёрами не имеющие связи с морем водоёмы, устойчиво из года в год появляющиеся весной при та- янии снега в одних и тех же углублениях поверхности в центральных районах Казахста- на и полностью испаряющиеся к концу лета? Кроме того, озёра, как и любые природные объекты, в своей жизни проходят все стадии существования, включая рождение, старе- ние и смерть. Например, болото, или, как теперь ещё говорят, увлажнённая территория, часто является последней стадией существования озера. Но граница между озером и бо- лотом также не определена и весьма условна. Тем не менее, ставшее классическим опре- деление Франсуа-Альфонса Фореля включено во многие гидрологические справочники и учебники, а также в Британскую энциклопедию. Так что озёра – это природные объекты, не имеющие в настоящее время строгого научного определения. При этом в качестве рабочих можно использовать следующие определения понятия «озеро», которые в той или иной мере соответствуют понятию «водоём» – постоянное или временное скопление стоячей или со сниженным стоком воды в естественных или искусственных впадинах и присутствуют в научных гидрологических монографиях, справочниках и нормативных документах: Озеро – естественный водоём с замедленным водообменом. Озеро – котловина или впадина земной поверхности, заполненная водой и не име- ющая прямого соединения с морем. Озеро – компонент гидросферы, представляющий собой естественно возникший водоём, заполненный в пределах озёрной чаши (озёрного ложа) водой и не имеющий непосредственного соединения с морем (океаном). 4

В отличие от озёр водохранилища являются искусственными водоёмами, образо- ванными, как правило, в долинах рек водоподпорными сооружениями для накопления и хранения воды в целях её последующего использования, а также регулирования стока. В последнем случае водохранилища являются исключительно важными гидрологическими объектами в борьбе со стихийными бедствиями. Например, в июле 2013 года над При- амурьем сформировалась стационарная высотная фронтальная зона, вдоль которой в те- чение двух месяцев один за другим перемещались глубокие, насыщенные тропической влагой циклоны, сопровождавшиеся сильными ливневыми дождями. В результате в Амурской области и Еврейской автономной области с июля по август выпало осадков больше годовой нормы. В итоге одновременно активизировались все паводочные обла- сти бассейна реки Амур: верхний Амур, Зея, Бурея, Уссури и Сунгари. Расположенные на крупных притоках Амура Зейское и Бурейскок водохранилища максимальным сниже- нием величин сбросных расходов способствовали смягчению паводковой ситуации в ре- гионе. Ими был аккумулирован значительный объём стока, что позволило удерживать уровень реки Амур пониженным более чем на метр на протяжении 2 месяцев. Благодаря Зейскому гидроузу на пике паводка в бассейн реки Зеи 31 июля 2013 года сбрасывалось в 10 раз меньше воды, чем поступало в водохранилище. На начальном этапе наводнения сыграли свою противопаводковую роль и шесть водохранилищ реки Сунгари в Китае, позже переключившиеся в транзитный режим [46]. Первые водохранилища были созданы в Древнем Египте с целью освоения земель в долине реки Нил более 3000 лет до н.э. В России первые водохранилища были созданы в период 1701-1709 годов при строительстве Вышневолоцкой водной системы, соединив- шей реку Волгу с Балтийским морем. В 1704 году на среднем Урале было построено Алапаевское водохранилище для обеспечения водой и механической энергией завода, в 1721 году – водохранилище Сестрорецкий Разлив, созданное во времена Петра I путём запруды реки Сестры и реки Чёрной. Пруд представляет из себя искусственный водоём (водохранилище) небольшого размера с площадью обычно не более 1 км², образуемый путём перегораживания плоти- ной русла небольшой реки, ручья, балки или лога. При отсутствии удобных естествен- ных понижений для устройства прудов вырывают специальные котловины (копаны) глу- биной 3-5 метров. В прошлом пруды устраивали у каждой деревни, рядом с которой не было достаточно большой реки или естественного озера. Обычно пруды создают с целью водоснабжения, орошения, разведения рыбы и водоплавающей птицы, а также для сани- тарных, противопожарных, ландшафтных и спортивных потребностей. Карьер является эксплуатационной открытой выработкой поперечных размеров, служащий для добычи руды, песка, строительного камня и др. Глубина его может быть незначительной (например, при добыче песка, гравия) или весьма большой – до 400-600 метров и более (например, при добыче магниевых руд, алмазов). При заполнении водой карьеры становятся водоёмами, которые не относятся к пруду или озеру по особенно- стям гидрологического и гидрохимического режима. Например, особенности питания – обычно грунтовые воды и атмосферные осадки, могут быть довольно большие глубины при небольшой площади, химический состав воды зависит от добывавшихся полезных ископаемых, зарастание сразу по фитопланктонному пути и т.д. Современное представление о задачах, решаемых с использованием космических систем (КС) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в интересах гидрологии поверх- ностных вод суши, изложено в Классификаторе тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов дистанционно- го зондирования Земли [32]. В разделах классификатора «Гидрология суши» и «Антро- погенные воздействия на поверхностные воды» сформулированы более 16 тематических задач и определены требуемые характеристики к материалам дистанционного зондиро- вания Земли из космоса в области лимнологии. По существующим оценкам ¾ тематиче- ских задач находятся в стадии опытной или имеющейся в эксплуатации технологии. 5

Озеро – компонент гидросферы, представ- ляющий собой естественно возникший водо- ём, заполненный в пределах озёрной чаши (ложа) водой и не имеющий непосредствен- ного соединения с морем (океаном). Озёра являются предметом изучения науки лимнологии (озероведение). С точки зрения географии, озеро представляет собой замкну- тое углубление суши, в которое стекает и накапливается вода. Озёра не являются ча- стью Мирового океана. Рациональное использование водных ресурсов озёр является общемировой про- блемой, которая обостряется в условиях развития антропосферы – сфера, определяющая пределы распространения человека и его деятельности. Наши знания об озёрах постоян- но меняются. За последние десятилетия появились новые сведения о батиметрии таких крупных озёр, как Ладожское, Онежское, Верхнее, Большое Медвежье и др. По разным причинам изменились площади Каспийского и Аральского морей, озёр Чад и Эйри. Во- все исчезли озёра – казахское Каждаг Сор и китайское Манаси Ху. После трёх десятиле- тий бурения, пройдя 3768 метров, российские специалисты достигли 5 февраля 2012 го- да поверхности подледникового озера Восток на континенте Антарктида. 1. Водные ресурсы озёр Одним из направлений проводимых лимнологических исследований гидросферы Земли является определение общего числа озёр, занимаемой ими площади суши и объё- ма сосредоточенной в них воды. Данные интегральные характеристики водных ресурсов озёр требуют выполнения значительных системных исследований, проведения анализа большого числа научных публикаций в условиях различного рода неопределённости, вытекающей, например, даже из определения понятия «озеро». Одним из существенных результатов подобных исследований явилось создание в Институте озероведения РАН (г. Санкт-Петербург) базы данных WORLDLAKE, в которой собраны подробные геогра- фические, морфометрические, гидрологические, климатологические и другие сведения о более чем 46 тыс. природных озёр и 7,4 тыс. водохранилищ, расположенных в 157 стра- нах мира. На её основе разработана методика, которая была изложена в работе ведущего научного сотрудника Института озероведения РАН С.В. Рянжина [52] и взята за основу расчёта интегральных характеристик водных ресурсов озёр Земли. Водные ресурсы озёр Земли. Прежде чем ответить на вопрос о числе озёр на Зем- ле, необходимо определить минимальный размер озёр, который будет использоваться в расчётах. Обычно опираются на значение минимальной площади поверхности озера 0,01 км3, которое определяет включение озёр в национальные кадастры, например, Польши, Болгарии, Румынии, Японии, Германии и других государств. По оценкам М. Мейбека (Университет Сорбонна), на Земле примерно 8,45 млн. природных озёр с площадями ≥ 0,01 км2 [74], однако уровень знаний об этих озёрах су- щественно различается. Примерно 6,65 млн. озёр включено в национальные и регио- нальные кадастры. Об этих озёрах известно, по крайней мере, их административное ме- стоположение, координаты и площадь. Такие озёра условно называются географически установленными. Существование остальных 1,8 млн. озёр экстраполировано для плохо изученных и не покрытых кадастрами регионов. К ним относятся, например, Амазония, 6

северо-западные территории Канады, Центральная Африка, высокогорные районы Юж- ной Америки, Китая, Индии и пр. Рисунок 1 – Распределение природных озёр мира с пло- щадью не менее 0,01 км3 по категориям [52] Далее оказывается, что далеко не для всех географически установленных озёр из- вестны максимальная и средняя глубины, и, следовательно, объём воды, поскольку по- следний определяется произведением площади и средней глубины озера. Таких озер (с известным объёмом воды), которые называются батиметрически измеренными, насчи- тывается всего 300-400 тыс., т.е. 3- 4% от общего числа озёр Земли. В России же к этой категории относятся лишь 129 из 326 крупнейших озёр с площадью не меньше 50 км2. Даже в такой озёрной стране, как Канада, батиметрические съёмки проводились лишь в 136 из 744 крупнейших озёр. Но в ещё меньшем числе географически установленных озёр, примерно в 50 тыс. (менее 1% от всех озёр), когда-либо проводились какие-нибудь специальные лимнологи- ческие измерения. Например, для озёр, которые условно называются лимнологически исследованными, могут быть известны такие характеристики, как максимальная в годо- вом цикле толщина льда, прозрачность, максимальная температура поверхности озера и т.д. Примечательно также, что не все лимнологически изученные озёра одновременно являются батиметрически измеренные. Иначе говоря, в озёрах с неизвестными глубина- ми иногда проводились специальные лимнологические измерения. Например, в 1980 - 1990 годах норвежские учёные проводили интенсивные вертолётные экспресс - съёмки прозрачности и кислотности воды нескольких сотен озёр. Однако в большинстве из них никогда не проводились измерения глубины и объема. В материалах анализа базы данных WORLDLAKE отмечается, что с уменьшением размеров озёр доля батиметрически измеренных в общем количестве мировых озёр дан- ной площади уменьшается. Например, известны объёмы для всех 20 озёр мира с площа- дями превышающими 10 тыс. км2, однако из 2465 озёр с площадью не менее 50 км2 – лишь для 34%, или 838 озёра. Похожая тенденция характерна для лимнологически изу- ченных озёр. Оценкам глобальных величин площади и объёма озёр мира был посвящён ряд лим- нологические исследования последнего столетия. Результаты исследований представле- ны в таблице. Одна из первых публикаций датируется 1984 годом и была представлена немецким геологом и географом Альбрехтом Пенком [75]. При этом авторы оценок, кроме Г.П. Тамразяна и М. Мейбека, не описывали применяемые методы расчёта. По- видимому, большинство оценок были получены как простые суммы площадей и объёмов 20-30 крупнейших озер мира с некоторыми добавками, учитывающими остальные, меньшие по размеру [52]. Батиметрические характеристики 20 крупнейших по площади озёр мира представлены также ниже в таблице. 7

Таблица 1 – Глобальные площади и объёмы озёр мира по различным источникам [52] Глобальные значения Источник оценки Площадь озёр, Объём озёр, Коэффициент 2 3 млн. км тыс.км озёрности, % Пенк А., 1894 г 2,5 – 1,68 Нейс Р., 1969 г 1,525 230 1,0 Львович М.И., 1974 г – 275 – Тамразян Г.П., 1974 г 2,7 166 1,81 Будыко М.И., 1980 г 2,1 – 1,41 Мулхолланд П., Эллвуд Дж., 1982 г 2,0 – 1,34 Лосев К.С., 1989 г. – 280 (180-750) – Шикломанов И.А., 1993 г 2,1 176 1,41 Мейбек М., 1995 2,6 179 1,74 Таблица 2 – Батиметрические характеристики 20 крупнейших по площади озёр мира [52] Площадь, Максимальная Объём озера, Озеро Страна 2 3 км глубина, м км Азербайджан/Казахстан/ Каспийское Казахстан/Иран/Туркменистан/ 386 400 1025 78 700 Россия Верхнее Канада/США 82 367 406 12 221 Виктория Кения/Танзания/Уганда 76 000 92 2750 Гурон Канада/США 59 570 228 3535 Мичиган США 58 016 282 4871 Бурунди/Танзания/ Танганьика 32 600 1471 18 500 Заир/Замбия Байкал Россия 31 500 1741 22 995 Большое Канада 31 153 446 22364 Медвежье Аральское Казахстан/Узбекистан 30 000 361 2311 Малави Малави/Танзания 28 800 706 8400 Большое Канада 28 600 625 2088 невольничье Чад Чад/Камерун/Нигерия 25 900 11 72 Эри Канада/США 25 821 64 458 Виннипег Канада 24 510 18 371 Балхаш Казахстан 19 996 26 106 Онтарио Канада/США 19 009 224 1638 Ладожское Россия 17 882 230 838 Тонле Сап Кампучия 16 000 12 65 Маракайбо Венесуэла 13 010 60 279 Патос Бразилия 10 140 5 19 В таблице представлены также значения коэффициента озёрности, определяемого как отношение суммарной площади озёр к площади суши Земли, равной 149,1 млн. км2. Некоторые из представленных в таблице крупнейших озёр значительно изменились за последние десятилетия, например, Каспийское, Аральское, Чад и Балхаш. При этом Аральское море сократилось по площади почти в 2 раза. Озёра Чад, Балхаш, Тонле Сап, Маракайбо и Патос проявляют значительные изменения в годовом цикле. 8

В работе С.В. Рянжина [52] изложен подход к оценке суммарной площади и объёма озёр Земли, основанный на анализе данных из базы WORLDLAKE и некоторых публи- куемых сведений. Прежде всего, для оценки суммарной площади озёр рассчитывается статистическая функция распределения озёр мира по значениям их площадей. Для озёр с площадью более 50 км2 используются данные базы WORLDLAKE, а с площадью от 0,01 км2 до 50 км2 – данные полученным М. Мейбеком. «Склеив» эти два распределения, получается функция распределения для озёр с площадями от 0,01 км2 до 386400 км2 – Каспийское море. Распределение озёр мира N по площадям S представлено на рисунке. Рисунок 2 – Статистическое распределение числа озёр мира по площадям от 0,01 км2 до 386400 км2 (Каспийское море) [52] Зависимость числа озёр с площадями не менее S определяется выражением N(≥ S) = C1 × S C2 , (1) где S – площадь озера, км2; С1=1,1×105 и С2= – 0,925 – рассчитанные эмпирические коэффициенты. Эта простая степенная функция показывает, что среднее число мировых озёр быст- ро возрастает с уменьшением площади озера. Из этой функции следует, что на Земле должно быть примерно 110 тыс. озёр с площадями не меньше 1 км2 и примерно 13 тыс. озёр – не меньше 10 км2. Кроме того, функция распределения показывает, почему отве- чая на вопрос об общем числе озер мира, необходимо уточнять минимальный размер озера. На основе изложенного подхода получена оценка интегральной площади озёр Зем- ли с площадями поверхности более 0,01 км2, которая равна 2,701 млн. км2. Следует отметить, что представленный график статистического распределения и функциональная зависимость хорошо изучены методами фрактального анализа, как при- кладная задача лимнологии. В функциональной зависимости S является фрактальным масштабом, а коэффициент С2 определяет фрактальную размерность [3]. В лимнологии применяется ещё одна важная характеристика – измеряемый в про- центах или долях единицы коэффициент озёрности: отношение суммарной площади озёр к площади территории, на которой эти озёра расположены. 9

Гипотетически озёрность может меняться от нуля для «безозёрной» территории до 100% или 1, когда вся она состоит из сплошного озера. Фактически же максимальные значения озёрности не превышают 20-25%, например, для Финляндии, Карелии и не- которых районов Канады. Используя рассчитанную суммарную площадь озёр мира и из- вестную площадь суши, равную 149,1 млн. км2, для глобальной средней озёрности по- лучены значения в 1,81%. Для оценки общего объёма озёр Земли из базы WORLDLAKE выбираются все имеющиеся 15,6 тыс. пары значений площадей и объёмов озёр, которые меняются на более чем восемь порядков: от Каспийского моря до маленьких горных озер (тарнов), как это показано на рисунке. Рисунок 3 – Зависимость объёма озера от его площади для 15,6 тыс. озёр с площадями от Каспийского моря до маленьких горных озёр (тарнов) по данным из базы WORLDLAKE. Показана также рассчитанная регрессионная зави- симость [52] Рассчитанная регрессионная зависимость, показывает, что большие по площади озёра имеют тенденцию содержать большие объемы воды V = S Havg = C3 × S C4 , (2) где Havg – средняя глубина озера, км; S – площадь, км2; V – объем, км3; С3 = 0,0034 и С4 = 1,134 – рассчитанные регрессионные коэффициенты. На первый взгляд, зависимость выглядит тривиальной, поскольку, как уже отмеча- лось, объём озера определяется произведением его площади и средней глубины. Тем не менее, она позволяет грубо оценить объёмы озёр по сравнительно легко доступной (например, с применением космических дистанционных методов зондирования) инфор- мации о площадях озёр и избежать трудоёмкой и дорогостоящей батиметрической съём- ки. Несмотря на значительный разброс значений, вызванный, прежде всего различным происхождением озерных котловин, средние глубины озер имеют тенденцию к увеличе- нию с ростом площади озера. Регрессия предлагает разумные средние глубины: 3,4 и 4,6 метра для озер с площадями 1 и 10 км2 соответственно. 10

Комбинация регрессионной зависимости с функцией распределения площадей озёр мира и последующие несложные преобразования дают простое выражение для суммар- ного объёма всех озёр с площадями из некоторого интервала Smin ≤S ≤Smax: C1 C2 C3 C +C4 2 C +C Vtotal = − C2 +C4 (Smax − Smin 4 ). 2 (3) Наконец, на основе полученных зависимостей рассчитывается оценка глобального озёрного объема как сумму трех объёмов: Vglob = V1+ V2+ V3 = 173874 км3 + 2670 км3 + 3094 км3 = 179638 км3. Здесь V1= 173874 км3 – сумма объемов 838 батиметрически измеренных крупней- ших озёр из базы WORLDLAKE с площадями не меньше 50 км2; V2 = 2670 км3 – сум- марный объём оставшихся 1627 батиметрически неизмеренных крупнейших озер, объё- мы которых рассчитаны по регрессии. Наконец, V3 = 3094 км3 – рассчитанный по зави- симости (3) суммарный объём остальных озёр мира с площадями 0,01 до 50 км2. Определённый в работе [52] глобальный объём озёр с площадью не менее 0,01 км2 равен 179,6·103 км3 и близок к значениям, опубликованным М. Мейбеком и И.А. Шик- ломановым, но превосходит оценку, рассчитанную Г.П. Тамразяном. Представленные оценки числа озёр на планете Земля с площадью поверхности не менее 0,01 км2, их интегральные площади и объёмы являются средними оценками и имеют важное значение для исследования гидрологических, гидрометеорологических и других природных процессов, особенно в условиях глобального изменения климата. Климатологи считают, что в последние десятилетия планета теплеет. Однако неяс- но, связано ли это с антропогенным увеличением концентрации парниковых газов или же с естественными колебаниями, которых в истории Земли было предостаточно. Кроме того, климат, видимо, изменяется пространственно не равномерно; в некоторых регионах усилится аридность (засушливость), в других – увлажнённость. Поэтому можно выска- зать лишь некоторые общие соображения о судьбе озёр. В тех регионах, где усилится аридность, многие озера могут исчезнуть, другие из проточных превратятся в бессточные, а ка- чество воды в них ухудшится. Там, где уве- личится увлажненность, будут преобладать противоположные тенденции. Пока же имеющиеся лимнологические данные весь- ма противоречивы. Например, на XXIX кон- грессе Международного союза лимнологов были представлены данные, показывающие, что за последние 30-40 лет такие крупные озёра, как североамериканское Тахо, афри- канское Танганьика, предальпийские Лугано и Женевское стали теплее. В то же время термический статус крупнейших новозеландских озер Таупо, Те Анау и Ванака не изменился. Вот другой непонятный пример. По данным Института водных проблем Севера (Карельский научный центр РАН), в последние десятилетия уровень Ладожского озера имеет тенденцию к падению, а расположенного в той же кли- матической зоне и тесно связанного с ним Онежского озера – к увеличению. Часто науч- ное исследование порождает больше вопросов, чем даёт ответов. 11

Водные ресурсы озёр России. Согласно опубликованным данным в Государствен- ном докладе «О состоянии и использова- нии водных ресурсов Российской Федера- ции в 2012 году» на территории России насчитывается более 2,7 млн. озёр с сум- марной площадью водной поверхности по- чти 409 тыс. км2 [20]. Государственный доклад был подготовлен по заданию Ми- нистерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации. Распределение озёр по регионам территории России (Каспийское море не учитывает- ся) представлено в таблице. Таблица 3 – Распределение озёр по территории России [20] Площадь зеркала, Регион Количество км2 Европейская территория Кольский полуостров 107146 8195 Карелия и северо-запад 82503 50107 Север 232419 13756 Центральный регион 35836 17329 Среднее и Южное Приуралье 6778 4182 Южный регион 26459 20947 Прикаспийская низменность 11305 3864 Азиатская территория Западно-Сибирская низменность 788042 87754 Алтай и Кузнецкий бассейн 17151 8743 Западные и Восточные Саяны 14307 7227 Забайкалье 47135 35647 Средняя Сибирь 319872 28108 Северо-Сибирская низменность 318849 38487 Северо-Восточная Сибирь 595118 67863 Дальний Восток 63088 9758 Камчатка 40857 2772 Острова океанов 41132 3517 Всего по России 2 747 997 408 856 Среди озёр России 98% – это озёра с площадью менее 1 км2. Ниже в таблице пред- ставлены сведения о 59 озёрах с площадью поверхности не менее 200 км2. Среди них 11 озёр имеют площадь поверхности более 1000 км2. Следует отметить, что характеристики озёр меняются со временем. Например, уро- вень Каспийского моря лежит намного ниже уровня Мирового океана и подвержен коле- баниям. Поэтому площадь его поверхности непостоянна, но составляет не менее 370 тыс. км2. В зависимости диапазона колебаний уровня диапазон колебаний площади поверх- ности Каспия может достигать 10-20%. 12

Таблица 4 – Озёра России с площадью поверхности более 200 км2 Площадь, Макс./средняя Озеро Объём, км3 Солёность Регион РФ км2 глубина, м Каспийское Россия, Азербайджан, Иран, 371000 1025/208 78200 Солёное море Казахстан, Турция Бурятия, Иркутская обл. Байкал 31722 1637/744,4 23615 Пресное Забайкальский край Карелия, Ладожское 17700 230/51 908 Пресное Ленинградская обл. Карелия, Ленинградская Онежское 9720 127/30 298 Пресное и Вологодская обл. Таймыр 4560 26/2,8 12,8 Пресное Красноярский край Ханка 4070 10,6/4,5 18,3 Пресное Приморский край Чудское 2613 12,9/7,5 19,3 Пресное Псковская обл. Убсу-Нур 3350 20/10,1 35,7 Солёное Тува Чаны 1400-2000 7/2,1 2,9-4,2 Солёное Новосибирская обл. Белое 1125 33/5,5 6,19 Пресное Вологодская обл. Выгозеро 1143 18/6,2 6,5 Пресное Карелия Ильмень 982 10/2-4 12 Пресное Новгородская обл. Топозеро 986 56/15,2 15,0 Пресное Карелия Хантайское 822 420/- - Пресное Красноярский край Сегозеро 815 103/29 23,4 Пресное Карелия Имандра 876 67/16 14,0 Пресное Мурманская обл. Пясино 735 -/4 2,9 Пресное Красноярский край Кулундинское 728 4/2,5-3 1.82-2,18 Слабосолёное Алтайский край Пяозеро 659 49/15,4 10,1 Пресное Карелия Барун-Торей 580 4/- - Соленое Забайкальский край Нерпичье 552 148/51 28,1 Слабосолёное Камчатский край (Култучное) Лабаз 470 - - Пресное Красноярский край Красное 458 4/- - Пресное Чукотский АО Кета (Хита) 452 180/- - Пресное Красноярский край Убинское 436 1/0,6 0,26 Пресное Новосибирская обл. Пекульнейское 435 - - Пресное Чукотский АО Воже 422 5/1-2 0,42/0,84 Пресное Вологодская обл. (Чарондское) Кубенское 370 13/1,2 0,44 Пресное Вологодская обл. озеро Портнягино 360 - - Пресное Красноярский край Чукчагирское 366 6/2 0,73 Пресное Хабаровский край Калмыкия Маныч-Гудило 344 -/1 0,34 Соленое Ставропольский край Ростовская обл. Болонь 388 4/- - Пресное Хабаровский край (Нури-Оджал) Лача 356 5/1,6 0,60 Пресное Архангельская обл. Удыль 330 5/- - Пресное Хабаровский край Маготоево 327 17/10 3,27 Соленое Саха (Якутия) Лама 318 ≥300/- - Пресное Красноярский край Орель 314 3,8/- - Пресное Хабаровский край Умбозеро 422 115/15 6,33 Пресное Мурманская обл. Зун-Торей 300 7/- - Соленое Забайкальский край Кизи 280 3-4/- - Пресное Хабаровский край Среднее Куйто 257,7 34/10,8 2,79 Пресная Карелия Бейсугский 272 1,7/- - Соленое Краснодарский край лиман Мелкое 241 22/3,9 0,94 Пресное Красноярский край Кунгасалах 270 - - Пресное Красноярский край Сямозеро 266 24,5/6,7 1,79 Пресное Карелия Пюхяярви 206,9 79,6/- - Карелия Бустах 249 - - Пресное Саха (Якутия) Яррото 1-е 247 8/- - - Тюменская обл. Сартлан 238 6/3 0,714 Слабосоленое Новосибирская обл. Ессей 238 - - Пресное Красноярский край Виви 229 80-200/- - Пресное Красноярский край Ковдозеро 294 - 3,7 - Мурманская обл. Телецкое 223 325/175 40 Пресное Алтай Кереть 223 26/4,5 1,0 Пресное Карелия Новгородская обл. Селигер 222 24/- - Пресное Тверская обл. Нюк 210,6 40/8,6 1,8 Пресное Карелия Ловозеро 200 35/5,7 1,1 Пресное Мурманская обл. Большое 205 - - - Саха (Якутия) Морское озеро Кроноцкое 242 148/51 12,3 Пресное Камчатская обл. озеро 13

Средняя озёрность России составляет около 4%. Однако в зависимости от конкрет- ных географических условий, увлажненности, топографии местности, притока поверх- ностных и подземных вод этот показатель изменяется в значительных пределах, что ил- люстрирует рисунок. Рисунок 4 – Озёрность регионов России [20] Высокой озёрностью характеризуются: Северо-запад России – до 14%, Западно- Сибирская равнина – 8,6%, Кольский полуостров – около 6%. Если не учитывать Каспийское море, которое по определению является озером, то около 96% всех запасов озёрных вод сосредоточено в восьми крупнейших озерах России, из них 95,2% находится в озере Байкал. Из водных объектов, расположенных на территории Российской Федерации, в спи- сок Всемирного природного наследия включены озеро Байкал, Телецкое озеро, водный бассейн озера Убсу-Нур. Озеро Байкал – самое глубокое озеро мира, максимальная глубина достигает 1637 м. По объёму воды – 23615 км3 – Байкал занимает первое место в мире – 20% мировых запасов поверхностных вод и более 95% запасов Рос- сии. Суммарный годовой сток крупнейших рек России составляет около 10% объёма воды Байкала. Вода отличается необыкновенной чи- стотой – прозрачность воды достигает глубины 40 м. Длина Байкала – 636 км, наибольшая ши- рина – 79,5 км, наименьшая – 25 км. Длина бе- реговой линии более 2000 км, площадь водно- го зеркала 31500 км2. Площадь водосбора – около 570000 км2. В озеро впадает более 300 рек и ручьёв, свыше половины притока даёт река Селенга. Вытекает одна река – Ангара. 14

Из 2630 видов и подвидов животных и растений более 2000 являются эндемиками, т.е. больше нигде в мире не встречаются. Видовое разнообразие не имеет равных среди древних и великих озёр мира. В Байкале ежегодно обнаруживается и описывается более 20 новых видов беспозвоночных животных. Федеральным законом «Об охране озера Байкал» установлена Байкальская природ- ная территория (БПТ) с площадью 386 тыс. км2. Площадь БПТ сравнима с суммарной площадью всех заповедников и национальных парков России (411 тыс. км 2). Площадь ООПТ в пределах БПТ равна 39,7 тыс. км2, что составляет 10% от площади БПТ. ООПТ представлена пятью заповедниками, тремя национальными парками, 23-мя заказниками, 128-мью памятниками природы, одним ботаническим садом, лечебно-оздоровительными местностями и курортами. Сохранение Байкала для настоящих и будущих поколений, как мирового источника чистой пресной воды, природного участка с неповторимыми ландшафтами и уникальной фауной и флорой, является главной природоохранной задачей и важнейшим условием устойчивого развития Байкальского региона. Озеро Телецкое – жемчужина Горного Алтая. В 1998 году Телецкое озеро с государственными природными заповедниками Алтайский и Катун- ский, горой Белухой, природным парком – зоной покоя Укок получило статус объекта Всемирного природного наследия ЮНЕСКО «Алтай – золо- тые горы». Телецкое озеро расположено на севе- ро-востоке Горного Алтая, на стыке с хребтом Западный Саян, в субмеридионально ориентиро- ванной котловине преимущественно ледниково - тектонического происхождения. Зеркало озера располагается на абсолютной высоте 436 м. С се- вера озеро ограничивает невысокий хребет Торот, а с запада и юго-запада хребты Алтыну, Сумуль- тинкого и Иолго с абсолютными высотами 2000- 2500 м. На востоке лежат хребты Корбу и Аба- канский, с юга к озеру примыкает край обширно- го Чулымшанского нагорья. Все хребты имеют широкие приводораздельные ступени – слабо расчленённые пе- неплены, возвышающиеся над урезом озера на сотни метров крутыми, часто отвесными, уступами, по которым в озеро падают многочисленные водопады. Телецкое озеро зани- мает пятое место в России среди самых глубоких озёр. Протяжённость Телецкого озера составляет 77,7 км, средняя ширина – 2-3 км, мак- симальная ширина – до 5 км. Северная часть озера вытянута в широтном направлении, южная, сделав поворот почти на 90 градусов, – в меридиональном направлении. Пло- щадь Телецкого озера относительно невелика – 223 км², однако благодаря большой глу- бине (средняя глубина озера 175 м, максимальная 325 м – напротив водопада Корбу) в нём содержится огромное количество отличной пресной воды – около 40 км³, прозрач- ной в глубину до 12-15 метров. В озеро впадает около 70 рек и 150 временных водото- ков, причём 70% всей воды даёт река Чулышман, впадающая с юга. Отдавая свои воды реке Бие (98% водостока), озеро в значительной мере обеспечивает питание Оби. Берега Телецкого озера почти везде круты и обрывисты, прорезаны ущельями, имеют живописные бухты. Есть два больших залива – Камгинский и Кыгинский, явля- ющихся естественными нерестилищами для обитающих в озере рыб; на севере и юге озеро оканчивается широкими плёсами. В озере и верховьях реки Бии обитают два ред- ких вида сига – телецкий сиг и сиг Правдина. 15

Озеро Убсу-Нур – самое крупное солё- ное озеро в Монголии, северная оконеч- ность которого находится на территории России (Республика Тыва). Площадь вод- ного зеркала составляет 3350 км2, озеро находится на высоте 753 метра над уров- нем моря. Озеро является абсолютно бес- сточным, располагается в так называемой Котловине больших озёр и является не- большим напоминанием о некогда нахо- дившемся здесь древнем море. Котловина больших озёр – это огромная межгорная впадина, окружённая со всех сторон гор- ными хребтами. Протяжённость Котловины больших озёр с севера на юг составляет 160 км, а с за- пада на восток – 600 км. В самой низкой части впадины располагаются озёра Убсу-Нур, которое играет роль небольшого внутреннего моря. С окружающих котловину хребтов в него впадают реки, образующие обширные дельты, способствуя заболачиванию местно- сти. Годовое колебание температуры воздуха от -580С зимой до +470С весной. В 1993 году был создан Государственный природный биосферный заповедник «Убсунурская котловина», кластерные участки которого находятся на территории Рес- публики Тыва. В Монголии озеро так же находится под охраной государства. С 2003 года эта особо охраняемая природная территория в составе совместного Российско-Монгольского проекта «Убсунурский бассейн» стала объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО. Объект состоит из 12 разрозненных участков, из которых в России семь участков площадью 258,6 тыс. га, которые представляют все основные типы ланд- шафтов, характерных для Восточной Евразии. Убсунурская котловина – это островок уникального биоразнообразия природы, со- средоточенный на небольшой территории в суровых природных условиях. Через терри- торию Котловины больших озер пролегает древний центрально - азиатский путь мигра- ции водоплавающих Западной и Средней Сибири, по которому в течение нескольких ты- сяч лет бесконечные поколения лебедей, гусей и уток направляются к побережью Жёл- того моря и далее в Юго-Восточную Азию. Особенность России – широкий диапазон климатических зон и нали- чие вечной мерзлоты, что определяет неравномерность освоенности её тер- ритории. По терминологии лесного хозяйства большая часть России труднодоступна, на ней сложно вести хозяйственную деятельность и прово- дить научные исследования, в том числе и лимнологические. Рисунок 5 – Распределение плотности населения России В этих условиях наиболее доступной информацией о состоянии озёр становится информация от космических систем дистанционного зондирования Земли, позволяющих оперативно получать данные об объектах лимнологии в различных регионах планеты с различной степенью детализации и в различных спектральных диапазонах. Конкретные требования к информации ДЗЗ определяются перечнями решаемых задач. 16

2. Морфология и морфометрия озёр Морфология озёр. Раздел лимнологии, изучающий закономерности формировании рельефа озёрных котловин, называется морфологией озер. У всех озёр более или менее чётко выде- ляются основные морфологические элемен- ты – котловина и ложе (чаша). Котловина представляет собой отрица- тельную форму рельефа, в пределах которого и расположено озеро, а часть котловины, за- полненная водой до высоты максимального подъёма уровня, называется ложем (чашей) озера. Рисунок 6 – Котловина и ложа (чаша) озера В котловине озера всегда можно выделить береговую и глубинную области. Бере- говая область при абразионном характере берега включает береговой уступ, побережье, береговую отмель и подводный скос. Рисунок 7 – Береговая область озёрной котловины Береговой уступ (береговой склон, яр) – часть озёрного склона, окружающая озеро со всех сторон, которая не подвержена воздействию волнового прибоя. Побережье является пограничной полосой между сушей и озером, которая подвер- жена воздействию волнового прибоя и включает в свой состав: сухое побережье – подвергается воздействию воды лишь при сильном волнении, особенно при её высоком стоянии; затопляемое побережье – покрывается водой периодически во время подъёма уров- ня воды в озере; 17

подводное побережье – обычно лежит под поверхностью воды и, в отличие от бо- лее глубоких частей береговой области, наиболее интенсивно подвергается воздей- ствию волн. Береговая отмель включает отмель размыва – абразионная часть береговой отмели и отмель намыва – аккумулятивная часть береговой отмели. Побережье и береговую отмель часто называют литоралью, к характерным чертам которой относятся мелководность и воздействие волн. Подводный скос, являющийся границей между литоралью и глубоководной частью озера – пелагиль, называю также сублиторалью. Дно озера называют – профундаль. Развитие высшей растительности (макрофитов), обычно ограничено литоралью. Макрофиты за счет фотосинтеза определяют, как правило, газовый режим водоёмов. Макрофиты представляют собой растения сравнительно больших размеров – глав- ным образом высшие водные растения, образующие ряд экологических группировок в водоёме: макрофиты с плавающими листьями (кувшинка, кубышка, водокрас, рдест плава- ющий, сальвинил, ряска, водяной орех и др.); надводные макрофиты (тростник, рогоз, аир, ежеголовник и др.); подводные макрофиты (рдесты, элодея, роголистник, уруть и др.). В пределах озера выделяются такие морфологические элементы, как плёсы, заливы и бухты. Озёрный плёс – более или менее широкая часть озера, отличающаяся большей (по сравнению с соседними водными участками) глубиной. Также под плёсом понимают широкое водное простран- ство на озере, между островами. Озёра леднико- вого происхождения сложной формы часто опи- сывают как состоящие из нескольких плёсов, зри- тельно разделённых островами или протоками. Например, Карельское озеро – подковообразное, большой полуостров в северной части делит озеро на три плёса - западный, южный и восточный. Залив – часть озера, глубоко вдающаяся в сушу, но имеющая свободный водообмен с его основной частью. Среди заливов различаются: бухта, губа, эстуарий, фьорд, лиман, лагуна, гавань и др. Гидрологические и гидрохимические условия залива тождественны с условиями водоёма, частью которого он является. В отдельных случаях местные особен- ности климата и сток могут придавать гидрологическим характеристикам поверхностно- го слоя заливов некоторые специфические черты. Формирование озёрного ложа (чаши) происходит под влиянием волнения и отло- жения наносов. Волнение, зависящее от силы ветра, глубины и размеров озера, воздей- ствует в течение длительного периода времени на береговую область озёрной котлови- ны, разрушает слагающие её породы и сносит размытый материал вниз по склонам и на дно озера. В результате этого процесса увеличиваются размеры побережья и отмели раз- мыва, одновременно с этим увеличивается площадь намыва и уменьшается глубина озе- ра. Степень интенсивности процесса заноса озера в значительной мере зависит от геоло- гического состава пород, из которых сложен берег озера. Однако каков бы ни был бере- говой материал, он под действием волн и выветривания превращается, в конце концов, в мелкий камень, гравий и песок. Кроме волнения, на форму озёрного ложа существенное влияние оказывает про- цесс поступления аллювиальных наносов, приносимых впадающими в озеро реками. Впадающие в озеро поверхностные водотоки размывают по пути своего следования грунты и выносят продукты размыва в озеро. 18

Помимо минеральных осадков, попадающих в озёрное ложе в результате волнения или приносимых течением рек, озёрная котловина заполняется и отложениями органиче- ского происхождения. Ил является продуктом процессов, происходящих в самом озере, и образуется в результате отмирания и последующего осаждения на дно взвешенных в во- де микроскопических животных и растительных организмов (так называемого планкто- на), а также в результате отмирания прибрежной растительности, распадающейся после перегнивания на мельчайшие частицы и легко уносимой течениями на середину озера. Интенсивное развитие организмов в течение теплого периода года и отмирание в тече- ние холодного обусловливают послойное отложение илов на дне озера, что позволяет по слоям определять его возраст. Зарастание озёр. Количество минеральных осадков и органического ила на дне озера увеличивается с каждым годом, вследствие чего дно постепенно повышается. В озёрах с пологими берегами водно-болотные растения надвигаются на озеро с берегов, окаймляя зеркало воды широким зелёным кольцом. Для мелководных озёр с пологими берегами можно выделить ряд поясов, закономерно сменяющихся от берегов к центру озера. Рисунок 8 – Схема зарастания озера (по Н.В. Сукачёву) Иногда на мелеющих озерах можно наблюдать сплавины – островки растительно- сти, оторванные от берегов или непосредственно примыкающие к минеральному берегу. Сначала эти сплавины образуют небольшие площади, затем по мере дальнейшего обме- ления озера они разрастаются, соединяются с другими и покрывают озеро сплошным по- кровом болотной растительности из травяного и мохового ярусов. Эти озёрные образо- вания известны под названием зыбуна. Географическое положение озера. Морфометрические характеристики. Важ- ной характеристикой озера является его географическое положение (широта, долгота) и высота над уровнем моря, что позволяет определить тип климата, в котором находится озеро. Климат [от др.-греч. кλίμα - наклон] – статистический режим атмосферных усло- вий (условий погоды), характерный для каждого данного места на Земле в силу его гео- графического положения. При изучении озёр и озёрных котловин важно установить не только условия их об- разования, но и определить ряд числовых характеристик, дающих количественные пред- ставления об их основных элементах, которые носят название морфометрических харак- теристик. Основные морфометрические характеристиками озера представлены на рисун- ке. 19

Fоз – площадь озера Vоз – объём воды в озере Lбер.л – длина береговой линии озера Lоз – длина озера Воз – ширина озера Вср – средняя ширина озера Воз.мах – наибольшая ширина озера Рисунок 9 – Морфологические характеристики озера Площадь озера Fоз вычисляется двояко: либо вместе с площадью островов, либо отдельно площадь водной поверхности. Так как берега озёр не отвесны, площадь водной поверхности (зеркала озера) изменяется при изменении его уровня. Длина озера Lоз – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными точ- ками, расположенными на берегах озера, измеряемое по его поверхности. Таким обра- зом, эта линия будет прямой лишь в случае сравнительно простых очертаний озера; для извилистого озера эта линия, очевидно, может быть и не прямой, а состоять из отдель- ных отрезков прямых и кривых линий. Ширина озера наибольшая Воз.мах определяется как наибольший поперечник (пер- пендикуляр) к линии длины озера Lоз, ширина озера средняя Вср – отношение площади озера Fоз к его длине Lоз, ширина озера Воз – поперечник (перпендикуляр) к линии длины озера Lоз. Длина береговой линии озера Lбер.л, при всей кажущейся очевидности понятия, по- родила новое направление в математике – фрактальную геометрию. В 20-х годах ХХ века английский учёный Ричардсон решил подсчитать длины гра- ниц европейских государств. К его удивлению оказалось, что длина границы государства зависит от масштаба. В 30-х годах польские геодезисты измеряли длину реки Вислы. После подсчёта длины реки выяснилось, что длина при измерении различным масшта- бом оказалась разная, причём с уменьшением масштаба длина реки возрастает. Этот факт отнесли к математическим курьёзам и надолго о нём забыли. В начале 70-х годов любопытные американцы, находясь на отдыхе, своими шагами измеряли периметры озёр. Выяснилось обстоятельство, вызвавшее удивление – у разных людей периметры оказались разным. С этим они обратились к местному математику Бенуа Мандельброту, который научно обосновал данный математический курьёз и создал теорию фрактальной геометрии природы. Кроме перечисленных морфометрических характеристик используются и другие характеристик. Например, коэффициент извилистости берега m – степень развития бе- реговой линии, определяемый отношением длины береговой линии Lбер.л к длине окруж- ности круга, имеющего площадь равную площади озера. Широкое практическое применение при оценке водных запасов озера имеет кривая изменения площади озера с глубиной Fоз(h), представляющая собой график связи площа- дей горизонтальных сечений озера и соответствующих им глубин, и кривая изменения объёма озера в зависимости от его глубины Vоз(h). Зависимости дают возможность опре- делять площадь зеркала озера и объём воды для любого уровня. На рисунке представлены кривые изменения площади и объёма Онежского озера с глубиной. Такие зависимости дают возможность определить текущие площадь зеркала озера и объёма воды для любого уровня. 20

Рисунок 10 – Кривые площадей и объёмов Онежского озера Объём воды в озере Vоз может быть определён по карте изобат, пользуясь «мето- дом призм». Изобатные поверхности делят объём озера на ряд слоёв, каждый из которых можно рассматривать приближённо как призму, основаниями которой будут площади, ограниченные смежными изобатами, а высота равна высоте по сечению между ними. Максимальная глубина озера hмакс, явля- ется важнейшей морфометрической харак- теристикой озёр. Глубочайшие озёра частей света: Австралия – оз. Сан-Клеп, 200 м. Азия – оз. Байкал, 1642 м. Африка – оз. Танганьика, 1470 м. Европа, оз. Хорниндальсватнет, 514 м. Сев. Америка – оз. Бол. Невольничье, 614 м. Южная Америка – оз. Сан-Маптин, 836 м. Рисунок 11 – Глубочайшие озёра мира Средняя глубина озера hср определяется отношением объёма воды в озере к пло- щади его зеркала. Также используется понятия среднего уклона дна между изобарами. Знание элементов, характеризующих форму озёрной котловины, необходимо не только для того, чтобы понять основные закономерности режима озера, но и для реше- ния ряда хозяйственных задач, связанных непосредственно с эксплуатацией озера. Например, при использовании озера в транспортных целях необходимо знать распреде- ление глубин в пределах всей акватории и, в частности, в зонах береговых отмелей. При регулировании стока вытекающих из озера рек необходимо иметь кривые зависимости объёма воды и площадей озера от высоты стояния уровня. Для расчета элементов волн важно знать распределение глубин и ширин озера по различным направлениям и т.д. Уровень воды является одной из важнейших динамических характеристик озёр. Относительно его, например, измеряют площадь озёр. Изменение уровня воды в озере связано как с условиями питания и расходованием воды, так и с колебанием уровня за счёт ветра и барометрического давления. В годовом и многолетнем ходе изменения 21

уровня отмечаются наибольшие и наименьшие значения. Средний за многолетие уровень воды в озере называется ординаром. Ординар [от лат. ordinārius – соответствующий обычным правилам, обычный, надлежащий, нормальный] – средний многолетний уровень воды в водоёмах, а также нуль футштока на водомерных постах, фиксирующий этот уровень. Колебания уровня отсчитываются выше и ниже ординара с точностью до сантиметра. Уровенный режим озёр определяется комплексом следующих природных условий: соотношением между приходной (осадки на зеркало озера, поверхностный приток, подземный приток) и расходной частью водного баланса озера (испарение, поверхност- ный и подземный сток из озера); морфометрическими характеристиками чаши и котловины озера (соотношение между высотой стояния воды в озере и площадью его водного зеркала); размерами озера, его формой, характером берегов, характером ветровой деятельно- сти, определяющим размеры волн, сгонов и нагонов уровня. Колебания уровня озера могут быть сведены к следующим основным видам: мно- голетние (вековые), годовые, сезонные и кратковременные. Иногда колебания уровня озёр в многолетние, годовые и сезонные периоды называют абсолютными, а кратковре- менные – относительными колебаниями. Периоды многоводности и маловодности озёр измеряются десятилетиями. Извест- ный русский статистик Василий Васильевич Зверинский (1835-1893) писал: «Днища многих озёр поросли травой и превратились в луга, на которых ставилось сено, а иные возделывались под посев хлеба и льна, с 1854 года все высохшие озёра стали наполнять- ся водой и в 1859 году сделались настоящими озёрами». Интересными являются результаты исследований по изменению уровня озёр меж- ду Уралом и рекой Обью, проведённые известным российским гидрологом Арсением Владимировичем Шнитниковым (1898-1983). Всего с конца XVII до середины ХХ века им было выявлено 7 циклов водности озёр. Продолжительность времени от одного максимального многоводья до соседнего максимального многоводья составляла 45, 39, 34, 39, 29, 19, 36 лет, а между минималь- ными маловодьями – 47, 40, 31, 47, 31, 20, 38 лет. Уровень воды в озёрах менялся при- мерно по такой схеме. Вначале в течение 2-3 лет уровень воды повышался, затем в тече- ние времени от 2 до 6 лет уровень воды сохранялся примерно на постоянной высоте. По- сле этого наступал неустойчивый максимум, то есть уровень воды достигал наибольшей высоты. Максимум длился 1-3 года. После этого непродолжительного максимума уро- вень воды в озёрах в течение 12-20 лет начинал медленно понижаться. Самый низкий уровень озёр сохранялся примерно в течение 6-8 лет. Если говорить о тех озёрах, кото- рые в минимуме не высыхают вообще, то есть о крупных озёрах, то уровень воды в них изменялся в пределах примерно 5 метров, у мелких озёр эти изменения меньше – при- мерно 3 метра. Годовые колебания уровня воды в разных озёрах различны и зависят oт климатиче- ских условий, характера питания, размера площади водосбора и озера, геологических условий озёрного ложа и др. Абсолютные значения амплитуды колебания уровней есте- ственных озёр изменяются в довольно широких пределах – от десятков сантиметров до 2-4 метров и больше в зависимости от сочетания указанных выше условий. Сезонные колебания, происходящие в течение года, обусловливаются различными в разные месяцы, но более или менее правильно ежегодно повторяющимися соотноше- ниями между приходной и расходной частями водного баланса. Например, засуха и при- ходящие тайфуны. Кратковременные колебания уровней воды в озере являются следствием волнения, ветровых нагонов и сгонов и сейш. Например, в Азовском море нагоны и сгоны дости- гают величин больше 1 метра, на Женевском озере сейши достигают величин, равных 2 метрам. 22

3. Классификация озёр Классификация озёр является одной из наиболее сложных теоретических проблем лимнологии. Более века изучаются эти природные объекты и делаются попытки распре- делить озёра на группы, классы и подклассы в зависимости их от сходства или различия. Разработаны многочисленные классификационные схемы, которые системно излажены в обзорной части работы Н.В. Мякишевой [42]. 3.1. Классификации характеристик озёрных систем Морфогенетическая классификация. Русский географ и метеоролог Пётр Нико- лаевич Броунов (1853-1927) ещё в 1917 году отметил, что происхождение озёрной кот- ловины определяет главные типические особенности озера и поэтому наиболее есте- ственной классификацией является та, которая основывается на происхождении озёрных ванн. Через несколько лет, в 1922 году, профессором Павлом Фёдоровичем Домрачевым (1889-1941) была предложена морфометрическую классификацию озёр с учетом доста- точно обширного перечня показателей и признаков, включающего рельеф дна, грунты, форму и строение берегов, термический и кислородный режим, прозрачность и цвет- ность воды, а также биологические явления [13]. Русский физико-географ и лимнолог Михаил Арсеньевич Первухин (1901-1939) при рассмотрении ранних, в основном зару- бежных, генетических классификаций высказал мнение, что тип озера является функци- ей его развития в определённых физико-географических условиях. Классификация М.А. Первухина. В 1937 году М.А. Первухин предложил генети- ческую классификацию озёр в зависимости от движущей силы (причины) возникновения озёрной котловины [43], в соответствии с которой озёра подразделяются на следующие классы: тектонические, вулканические, ледниковые, гидрогенные, просадочные, заваль- ные, вторичные и эоловые. Тектонические озёра распространены в областях крупных тектонических преобразований земной коры и имеют самые крупные озёрные котловины. Среди них самое большое озеро на земле – Каспийское море (при уровне воды - 26,75 м площадь составляет ~ 371 000 км2), а также самое глубокое озеро в мире – Байкал (1642 м). До подъёма Кавказского хребта Каспийское мо- ре соединялось с Чёрным морем, а озеро Байкал возникло вслед- ствие разлома блока земной коры, в результате которого появи- лась впадина, заполнившаяся водой. Тектонические озёра могут быть расположены в тектониче- ских понижениях (озеро Ильмень), в предгорных и межгорных прогибах, в грабенах (озёра Байкал, Ньяса и Танганьика). Боль- шинство крупных озёрных котловин имеет сложное тектониче- ское происхождение, в их образовании участвуют как разрыв- ные, так и складчатые движения (озёра Иссык-Куль, Балхаш, Виктория и др.). Профиль дна тектонических озёр резко очерчен, имеет вид ломаной кривой, берега обычно крутые и скалистые. В расположении тектонических озер наблюдаются определенные закономерности: они сосредоточены вдоль разломов земной коры либо в рифтовых зонах (Сирийско- Африканская, Байкальская), либо обрамляют щиты. Вдоль Канадского щита расположи- лись Большое Медвежье, Большое Невольничье, Великие Северо-Американские озёра, вдоль Балтийского щита – Онежское, Ладожское и другие озёра. 23

Восточно-Африканская рифтовая система является примером огромного разлома, простирающегося с юго-востока Африки на север до юго-западной Азии и заполненного цепью озёр. Самыми известными из них являются озёра Альберт, Эдвард, Танганьика и Ньяса (Малави). Этой же системе (на территории Израиля) принадлежит и самое низко расположенное озеро в мире – Мёртвое море (- 399 м). Вулканические (кратерные) озёра образуются при наполнении водой вулканического кратера, кальдеры, маара или ударного кратера. Так как кратер имеет, как правило, форму круга и высокие стенки, кратерное озёро имеет мало притоков и почти не имеет стоков. Обычно кратер заполняет- ся дождевой водой (у мааров – грунтовыми вода- ми) и достигает равновесия благодаря просачива- нию и испарению. В течение времени благодаря эрозии может возникнуть наземный сток или даже проток. Например, сток озера Таупо в Новой Зе- ландии, через который течёт река Уаикато. Вулканическое Курильское озеро. В южной части полуострова Камчатка располо- жена крупная кальдера, в которой расположилось кратерное озеро. Кальдера [от исп. caldera - котёл] – обширная циркообразная котловина с крутыми стенками и более или менее ровным дном вулканического происхождения. От кратера кальдера отличается особенностями формирования и большими размерами. Площадь Курильского озера око- ло 77 км2, средняя глубина – 195 метров, максимальная глубина – 316 метров. Вода в вулканическом кратере иногда имеет химический состав, который делает невозможным жизнь. Примерами таких, часто цветных и кислотных, озёр являются Рин- кон де ла Вьеха и Ирасу в Коста-Рике. Содержание окиси углерода может быть чрезвы- чайно высоким и стать причиной лимнологических катастроф, таких как катастрофа на озере Ниос, маар, Камерун. Маар – относительно плоскодонный кратер взрыва с жерлом без конуса, но окружённый невысоким валом из рыхлых продуктов извержения, пред- ставляющих собой горные породы, слагающие стенки жерла. 21 августа 1986 года на озере Ниос произошла лимнологическая катастрофа, кото- рая унесла из жизни более 1700 человек. Двумя годами ранее 15 августа 1984 года похо- жая катастрофа произошла на озере Манун в Камеруне, которая унесла из жизни 37 че- ловек. В обеих катастрофах в течение нескольких часов было выброшено огромное ко- личество углекислого газа (CO2). Газ из озера Ниос уничтожил всё живое на расстоянии до 27 км от озера. Ледниковые озёра образуются тающими ледниками и снежно-фирной толщей, пере- крывающей ледники выше границы питания. При этом ледник может быть как в стадии деградации, так и в фазе активного наступле- ния. Приледниковые озёра разных генетиче- ских типов являются непременным элемен- том нивально-гляциальной зоны. Чем круп- нее ледники, тем крупнее озёра, и тем больше их число и площади. Территории, где располагаются отдельные озёра этого генезиса или их группы, все- гда несут геолого-геоморфологические свидетельства работы древних или современных ледников. Этими свидетельствами являются морены различных генераций и морфоди- намического типа, формы водноледниковой аккмуляции (озы, камы, зандровые равни- ны), хорошо окатанные и часто очень крупные эрратические валуны, а также формы 24

подледниковой экзакции, аккумуляции – друмлины, друмлиноиды различного вида, тун- нельные долины – спиллвеи и др. За последние миллионы лет наша планета неоднократно испытывала похолодание. На огромной территории происходило накопление снега и образование мощных ледни- ковых щитов, покрывающих большую часть Европы и Северной Америки. Последняя ледниковая эпоха закончилась 10-12 тысяч лет назад, когда огромный ледник занимал всю Канаду, а край его доходил до широт городов Нью-Йорка, Чикаго и Сиэтла. На тер- ритории Европы край ледника достигал широт Копенгагена, Берлина и Санкт- Петербурга. Поэтому ледниковые озёра распространены на территории Канады, Сканди- навии, Кольского полуострова, Карелии, западной и восточной Прибалтики – это ланд- шафты, рождённые материковым ледником. Ледник совершил огромную эрозионную и аккумулятивную работу. Эрозионная деятельность ледников особенно ярко выражена в области их зарожде- ния. В Северной Америке такими центрами являются Кордильеры, Баффинова Земля, полуостров Лабрадор; в Евразии – Скандинавский полуостров, Новая Земля, Северный Урал и полуостров Таймыр. Ледники здесь подобно гигантскому плугу выпахивали бо- розды и котловины в мягких породах, а в гранитах и гнейсах сглаживали неровности, расширяли и переуглубляли тектонические трещины, древние долины и озёрные котло- вины. После таяния ледника в таких котловинах возникли многочисленные озёра. Если посмотреть на крупномасштабные карты Швеции, Финляндии и Карелии, то в глаза бро- сается система вытянутых в одном направлении озёр. Особенно многочисленны и разно- образны озёра там, где происходило отложение ледникового материала. При таянии лед- ника льды распадались на глыбы самых различных размеров, от десятков метров до де- сятков километров. После окончательного таяния глыб льда на их месте возникли озёра. Современные и древние озёра, образование которых связано с деятельностью лед- ников, распространены на всех материках, включая Антарктиду, но, возможно, исключая Австралию. Великие американские озёра являются крупнейшими четвертичными мо- ренно-подпрудными ледниковыми озёрами в мире. Следует отметить, что термин «ледниковое озеро» практически не применяется в научных работах в России, поскольку не несёт никакой генетической информации. При- меняются же более точные термины, указывающие на физико-географическое положе- ние озера – приледниковое озеро и на его генезис – ледниково-подпрудное озеро, морен- но-подпрудное озеро, каровое озеро, внутриледниковая полость, субгляционное озеро, ригеле-подпрудное озеро и т.д. Гидрогенные озёра определяются эрозионной и аккумулятивной дея- тельностью речных и морских вод. К ним относятся старицы, плёсы пе- ресыхающих рек, озёра речных дельт, озёра морских побережий: лагуны – отчленённые от моря наносами заливы, лиманы – устье- вые участки рек, отделённые от мо- ря косами. Например, согласно Гос- ударственному докладу о состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации [20] в число озёр России включён Бейсугский лиман – залив Азовского моря, от- делённый от моря песчано- ракушечной Ясенской косой. 25

Бейсугский лиман имеет протяжённость 30 км с северо-запада на юго-восток. Ши- рина в средней части – 12 км, максимальна глубина – 1,7 метра. В него впадают реки Бейсуг и Челбас, принося ежегодно около 230 млн. м3 пресной воды. В сущности, сам лиман представляет собой речной эстуарий, сообщающийся с морем Ясенским Гирлом, поэтому вода в лимане менее солёная, нежели в Азовском море. Одним из крупнейших лагунных озёр мира является Маракайбо – крупное солоно- ватое озеро, строго географически являющееся заливом, в Венесуэле. Расположено в межгорной тектонической впадине между хребтами Сьерра-де-Периха на западе и Кор- дильера-де-Мерида на юге и востоке. В северной части – мелководно, в южной части глубина достигает 250 м. Берега низменные, заболоченные. Озеро соединяется на севере с Венесуэльским заливом мелким проливом (глубина 2- 4 м) и питается водой из множе- ства ручьёв и рек, крупнейшая из которых – река Кататумбо. Маракайбо – самое боль- шое озеро в Южной Америке, его площадь равна 13 210 км², но она (площадь) сокраща- ется из-за обильного поступления аллювия. Маракайбо является одним из древнейших озёр на Земле, на берегах которого проживает почти четверть населения Венесуэлы. Просадочные озёра возникают при про- садках грунта в результате действия под- земных вод (карстовые, суффозионные) или таяния погребённого льда (термокарстойые). Карстовые озёра образуются в местах выщелачивания горных пород подземными и отчасти поверхностными водами. Они глубокие, но небольшие, часто округлые по форме (например, в Крыму, на Кавказе, в Динарских и других горных районах). На рисунке показано карстовое озеро Морской глаз, республика Марий Эл, Рос- сия, образовавшееся 20 тысяч лет назад. Карст [от нем. Karst - по названию известнякового плато Крас в Словении] – сово- купность процессов и явлений, связанных с деятельностью воды. Карст выражается в растворении водой горных пород и образовании в них пустот, а также в создании свое- образных форм рельефа на местности, сложенных из сравнительно легко растворимых в воде горных пород – гипс, известняк, мрамор, доломит и каменная соль. Наиболее харак- терными для карста являются отрицательные формы рельефа. По происхождению они подразделяются на формы, образованные путём растворе- ния (поверхностные и подземные), эрозионные и смешанные. По морфологии выделяют- ся следующие образования: карры, колодцы, шахты, провалы, воронки, слепые карсто- вые овраги, долины, полья, карстовые пещеры и подземные карстовые каналы. Для развития карстового процесса необходимо наличие следующих условий: ровная или слабонаклонная поверхность, чтобы вода могла застаиваться и проса- чиваться внутрь; значительная толщина горных пород, поддающихся карстованию (растворению), и их трещиноватость; неравновесность или агрессивность подземных вод; наличие условий, обеспечивающих движение подземных вод. Карстовое озеро – это котлован, заполненный подземными водами. Вода в таких водоёмах прозрачная, потому что нет песка на дне, минерализованная и очищенная от вредных биологических примесей. Такой водоём не прогревается до температуры купа- ния благодаря большому количеству родников, доставляющих подземные воды на по- верхность. Живности в таких озёрах мало. Берега озера обычно свободны от ряски и тростниковой растительности. 26

Карстовые озёра могут быть недолговечными, потому что подземные воды, размы- вая породу, могут поменять направление или уйти глубже. Тогда они исчезают и оста- ются только связанные с ними легенды. Блуждающие озёра имеются в разных частях России. В Архангельской области находится водоём Семго, который несколько раз ухо- дил под землю. Один раз в несколько лет появляется, а потом исчезает высокогорное природное водохранилище в Дагестане Ракдал-хол. В Вытегорском районе на Вологод- чине в течение трёх дней исчезло озеро Куштозеро. Шимозеро, находящееся недалеко от Онежского озера, удивляет жителей окрестных поселений не только тем, что в начале лета наполняется водой, а также тем, что к осени его содержимое уходит под землю. Суффозионные озера образуются в котловинах просадочного происхождения на месте интенсивного выноса подземными водами мелкоземистых и минеральных частиц (юг Западной Сибири, Окско-Донская равнина). На Восточно-Европейской равнине в суффозионных блюдцах обычно произрастает осина, в Западной Сибири – берёза. Суффозия [от лат. suffosio - подкапывание] – вынос мелких минеральных ча- стиц породы фильтрующейся через неё водой. Процесс близок к карсту, но отлича- ется от него тем, что суффозия является преимущественно физическим процессом и частицы породы не претерпевают дальнейшего разрушения. Суффозия приводит к проседанию вышележащей толщи и образованию западин (суффозионных воронок, блюдец, впадин) диаметром до 100 метров, а также пещер. Другим следствием про- цесса может быть изменение гранулометрического состав подверженных суффозии пород или являющихся фильтром для вынесенного материала. Наиболее широкое развитие суффозия получает в области распространения лёссов и лёссовидных су- глинков, под склонами долин рек, часто по ходам роющих животных. Одним из не- обходимых условий суффозии является наличие в породе как крупных частиц, обра- зующих неподвижный каркас, так и вымывающихся мелких. Вынос начинается лишь с определенных значений напора воды, ниже которых происходит только фильтрация. В карбонатных и гипсоносных песчано-глинистых отложениях и мерге- лях карст и суффозия могут проявляться одновременно. Это явление носит название глинистый карст или глинистый псевдокарст. Термокарстовые озера возникают при протаивании многолетнего мёрзлого грунта или вытаивании льда. Благодаря им Колымская низменность является один из самых озёрных краёв России. Много реликтовых термокарстовых озёрных котловин находится на северо-западе Восточно-Европейской равнины в бывшей приледниковой зоне. Рисунок 12 – Центральная часть Средне-Хулымского месторожде- ния из космоса. КА Landsat -7, 03.07.2002 г. Обозначения: 1 – термокарстовые озёра; 2 – аласы. 27

Термокарст – процесс неравномерного проседания почв и подстилающих горных пород вследствие вытаивания подземного льда; просадки земной поверхности, образу- ющейся при протаивании льдистых мёрзлых пород и вытаивании подземного льда. В ре- зультате образуются воронки, провалы, аласы, внешне напоминающие карстовые формы рельефа. Преимущественно термокарст распространён в областях развития многолетних мёрзлых горных пород. В большинстве своем термокарстовые озёра небольшие; площадь обычно меньше 1 2 км , глубина до 2- 4 м. Одно из крупнейших термокарстовых озёр Якутии Недлсели, имея площадь свыше 300 км2, очень мелкое – обычная глубина 2 м, наибольшая – 6 м. На приморских равнинах термокарстовые озера имеют резко угловатые, нередко прямо- угольные очертания. Там, где залегают мощные толщи ископаемого льда, образуются глубокие термокарстовые озёра. Они имеют округлую форму и большей частью высо- кие, обрывистые берега. Глубина озер достигает 30-40 м. Подобные термокарстовые озе- ра встречаются в условиях холмисто-моренных и аллювиальных, т.е. созданных речны- ми наносами, равнин. Термокарстовые озёра очень динамичны: быстро возникают, буквально за несколь- ко десятков лет, и быстро исчезают; стремительно меняют свои размеры, очертания и местоположение. Оттаивание и разрушение берегов озёр происходит со скоростью до 15 метров в год. Интересно, что часто термокарстовые озёра вытянуты в сторону господ- ствующих ветров. По ним можно судить о преобладающих ветрах местности. Термокар- стовые озёра примечательны ещё и тем, что могут быстро осушаться образуются плос- кие котловины, заросшие луговой растительностью. Якуты такие котловины называют аласами. Со временем аласы могут вновь заполняться водой. Завальные (обвальные, пло- тинные) озёра возникают в ре- зультате перегораживания речной долины обвалами и оползнями. Загромождая узкие долины гор- ных рек, обвалы часто создают высокие прочные плотины, выше которых по рекам начинается об- разование озёр. Много таких озер на Кавказе и в других горных районах страны. Например, 5(18) февраля 1911 года после 9 баль- ного землетрясения на Памире в результате сильного оползня бы- ла запружена река Мургаб. Образовавшийся Усойский завал стал естественной плотиной высотой 567 метров и протяжённостью около 5 км. Оползень похоронил под собой селение Усой вместе с жителями. Наполнившаяся котловину вода в том же году затопила деревню Сарез, которая и дала название озеру. Озеро оставалось непроточным до 1914 года, когда в завале появились первые родники. Усойский завал также перекрыл впадавшую в Мургаб небольшую реку Шадау-Дарья, что привело к образованию другого, меньшего по размеру озера Шадау. Озеро Сарез (Сарезское озеро) име- ет длину около 55,8 км, глубину – около 500 м, урез воды над уровнем моря – около 3263 м, объём воды – более 16 км3. Окружающие горы возвышаются над озером более чем на 2416 м. К завальным озёрам относятся и другие озёра Па- мира, некоторые озёра Тянь-Шаня и красивейшее озеро Кавказа – голубое озеро Рица, Абхазия. 28

Эоловые озёра. Эоловые процессы [от др. греч. Αί̀ολος - повелитель ветра] разнооб- разные ландшафтообразующие процессы в природе, связанные с деятельностью ветра. В условиях засушливого климата в котло- винах выдувания или в понижениях между дюнами, барханами, песчаными грядами в результате ветровых воздействий могут об- разовываться эоловые котловины, в кото- рых образуются эоловые озёра. Эоловые озёра встречаются вблизи морских берегов, в дельтах рек (например, Волги, Или, Ду- ная). К эоловым озёрам отнесено и горько- солёное озеро Теке на севере Казахстана. Площадь озера Теке в среднем составляет около 265 кв2 и меняется по сезонам го- да. Средняя глубина – 0,5 м, наибольшая – 1 м. Берега озера крутые, обрывистые и ме- стами изрезанные, небольшие острова. Теке окаймлено широкой полосой солончаков. Питание снеговое, отчасти грунтовое. Эоловые озера отличаются непостоянством водного режима. В сухое время они сильно мелеют и даже могут совсем исчезнуть, т.е. превратится в сухие озёра, заполня- ющиеся водой только в период редких ливней. Кроме рассмотренных классов озёр М.А. Первухиным в генетическую классифика- цию также были включены вторичные озёра, образовавшиеся на месте заросших более крупных озёр или на болотах. Более детальная классификация, основанная на тех же признаках, была предложена американским зоологом Джорджем Эвелином Хатчинсоном (1903-1991), который боль- ше всего известен своими исследованиями пресноводных озёр и считается «отцом аме- риканской лимнологии» [65]. Его генетическая классификация включала 11 групп с 78 типами котловин. В своих работах Дмитрий Дмитриевич Квасов (1932-1989) отмечал, что возникно- вение озёрных котловин произошло в различное время, и предложил классификацию, основанную на их возрасте и происхождении [30]. Всего Д.Д. Квасов выделил 24 типа и 5 классов озёр: 1. Озёра, возникшие в отдалённом геологическом прошлом и представляющие собой ча- сти древнего океана, рифтовые впадины, результаты вулканической деятельности, движений земной коры. 2. Озёра, возникшие во время плейстоценового оледенения и связанные с ледниковым выпахиванием, представляющие собой остатки приледниковых озер, подпертые плей- стоценовыми аллювиальными плотинами. 3. Озёра, возникшие на рубеже позднеледниковья и голоцена (около 12 тыс. лет назад). 4. Озёра, возникшие в результате повышения уровня океана и представляющие собой озёра-лагуны. 5. Озёра, возникшие в настоящее время в результате таяния многолетнемерзлых пород, озёра речных долин и дельт, завальные озёра русел рек. Классификация Н.П. Белецкой. Со времени определения П.Н. Броуновым принци- пов классификации озёр на основе генезиса озёрных котловин прошло почти столетие, но проблема остаётся дискуссионной. Геологи, геоморфологи, лимнологи и другие спе- циалисты предлагают новые и совершенствуют существующие классификационные схе- мы. Профессором Натальей Петровной Белецкой были систематизированы сотни науч- ных результатов и предложена генетической классификации озёрных котловин Западно- Сибирской равнины [5]. 29

В генетической классификации озёр Западно-Сибирской равнины Н.П. Белецкой все котловины озёр были разделены на типы, классы, подклассы, рода и виды. Выделено четыре типа озёрных котловин: эндогенные, экзогенные, гетерогенные и техногенные. Рисунок 13 – Генетическая классификация озёрных котловин (по Н.П. Белецкой) 30

Эндогенный тип котловин определяется эндогенными процессами – геологиче- ские процессы, связанные с энергией, возникающей в недрах Земли. Включает один класс – тектонические котловины, обусловленные существующей структурой земной ко- ры и общими изменениями, происходящими в ней. В тектоническом классе котловин выделены два подкласса – грабены и мульды. Грабен – это участок земной коры, который опущен относительно окружающей его местно- сти по крутым или вертикальным тектониче- ским разломам. Длина грабенов достигает со- тен километров при ширине в десятки и сотни километров. В России большой провал (гра- бен), образовавшийся по разломам, представля- ет собой котловина озера Байкал, также извест- ная, как Баргузинская впадина. Грабены являются результатами разрывных тектонических движений, проявляю- щихся в прибортовых структурах плиты на неотектоническом этапе развития. На терри- тории Западно-Сибирской равнины к ним относятся, например, котловины озёр Совет- ских в Приенисейской зоне, имеющих глубины 50-120 м при характерной форме в плане и со сложным профилем дна; озёр Шаблиш, Большой Куяш, Тишка и Смолино – зона Челябинского грабена; озёра Теке, Кызылкак, Улькенкарой, Кишикарой и Селетытениз – зона Северного Казахстана. К котловинам-мульдам отнесена впади- на самого крупного озера Западно-Сибирской равнины – Чаны, приуроченная к тектониче- ской депрессии, находящейся в пределах Ом- ской впадины, испытавшей в неоген- четвертичное время интенсивные опускания до 50 м. Озеро располагается на высоте 106 м над уровнем моря, имеет 91 км в длину и 88 км в ширину. Площадь озера непостоянная и в настоящее время по различным оценкам со- ставляет от 1400 до 2000 км². Озеро мелко- водное, средняя глубина около 2 метров. В качестве мульд оседания (или сдвижения) выделяют понижения, возникающие над подземными горными выработками или образованные в результате разработки нефтяных и газовых месторождений. В областях развития грязевого вулканизма, напри- мер, на Керченском полуострове образуются вдавленные мульды, возникновение кото- рых объясняется прогибанием над очагами, питающими такие вулканы. В соляноку- польных областях, особенно в Прикаспийской впадине, имеют место компенсационные мульды, формирующиеся по обрамлению соляных куполов в связи с оттоком пластиче- ской соли, что приводит к прогибанию надсолевых отложений. Экзогенный тип котловин является самым многочисленным и включает классы гидрогенных, гляциогенных, эоловых и биогенных котловин, каждый из которых под- разделяется на подклассы. Экзогенные процессы – это геологические процессы, проис- ходящие на поверхности Земли и в самых верхних частях земной коры (выветривание, эрозия, денудация, деятельность ледников и др.). Класс гидрогенных котловин. Среди гидрогенных котловин выделены эрозионно- аккумулятивные речные, эрозионно-аккумулятивные водно-ледниковые, остаточные, суффозионные, абразинно-аккумулятивные котловины, а также котловины, являющиеся результатом неравномерной аккумуляции. 31

Эрозионно-аккумулятивные речные котловины являются следствием аллювиаль- ных процессов на огромных площадях древних и молодых аллювиальных равнин. Аллю- вий – это несцементированные отложения постоянных водных потоков (реки, ручьи), состоящие из обломков различной степени обкатаности и размеров (валун, галька, гра- вий, суглинок, глина). Озёрные ванны таких равнин характеризуются большим разнооб- разием в зависимости от размеров, морфологии и приуроченности к элементам речных долины. Поэтому возникает необходимость введения таксонов следующего порядка, да- ющих конкретное представление о путях образования рассматриваемых форм рельефа. Подкласс эрозионно-аккумулятивных речных котловин объединяет три рода: русловые, пойменные и ванны озёр надпойменных террас. Среди пойменных выделяются семь видов: котловины стариц, проток, меж- гривий; соры прирусловые, приустьевые и внутрипойменные; вторичные поймен- ные озёра. Рисунок 14 – Структура поймы реки [46] Речная долина представляет собой наиболее полно разработанное деятельностью воды звено русловой сети, характеризующееся большой протяжённостью и наличием постоянного водотока. Основным морфологическим элементом речной долины, отлича- ющим её от долин временных водотоков, является широкое дно, поделённое на русло и пойму. Характерной особенностью речной долины является террасированность склонов. Долины рек, имеющих русло, пойму и террасированные склоны, называются оформлен- ными долинами. Углубление на дне речной долины, по которому постоянно протекает водоток, называется руслом реки, а часть речной долины, затопляемая водой в полово- дье или во время паводков – поймой. По положению относительно речного русла различают прирусловые, центральные и притеррасные поймы. Ширина пойм равнинных рек может равняться ширине русла и доходить до нескольких десятков ширин русла, иногда достигая 40 км. В прирусловой части поймы находятся аккумулятивные прирусловые валы, пред- ставляющие собой невысокие гряды, которые тянутся вдоль реки. Они образуются во время половодий, когда водоток выходит из русла и откладывает около него самый тя- желый материал. Скорость потока здесь уменьшается за счёт трения, поэтому в прирус- ловой части накапливается крупнозернистый песок. Центральная часть поймы – абсолютно плоская или мелко-гривистая поверхность, то есть имеющая очень небольшие повышения рельефа. На центральной части поймы часто образуются старицы (староречье, курья) – участки прежнего русла реки. Как пра- вило, старицы имеют серповидную или петлеобразную форму; образуются при спрямле- нии меандрирующего русла, когда в половодья или паводки воды идут по пойме. Притеррасная часть поймы – это пониженная площадь, сложенная из мелкого и тонкозернистого песка. После паводков вода здесь надолго застаивается, образуя пой- менные болота и озёра. Иногда формируются конусы выноса оврагов, расположенных на склонах долины и притеррасных речек. На каждой реке выделяются высокие поймы – формируются во время наиболее вы- соких паводков и заливаются водой не каждый год, низкие поймы – формируются во время небольших паводков и заливаются водой ежегодно. По строению различают пой- мы аккумулятивные – имеют значительную мощность речного аллювия и цокольные – поймы с маломощным аллювием, залегающим на более древних породах. 32

Речные террасы – это ступенчатые формы рельефа, сложенные аллювиальными от- ложениями и протягивающиеся вдоль склонов речной долины, чаще – вдоль левого склона (в северном полушарии). Образуются террасы в результате углубления речного русла реки. Основными причинами для этого являются увеличение водоносности реки, что вызывает усиление эрозионных процессов, понижение базиса эрозии, поднятие тер- ритории, увеличение уклонов земной поверхности в результате тектонических движе- ний. Возраст террас определяется их положением относительно уровня воды в реке. Чем выше терраса, тем она древнее. Самая низкая терраса называется первой надпойменной. Выше располагается вторая надпойменная и так далее. Образование террас включает в себя цепь последовательных процессов: образова- ние поймы – понижение базиса эрозии – врезание потока – расширение поймы. У каждой террасы различают площадку, уступ, бровку, тыловой шов и подножие уступа. Террасы бывают эрозионными, эрозионно-аккумулятивными и аккумулятивными. Аккумулятив- ные террасы сложены аллювиальными песками, имеющими мощность несколько десят- ков и даже сотен метров, эрозионные – имеют незначительную мощность аллювия, их ложе наклонено в сторону бровки террасы. Эрозионно-аккумулятивные террасы имеют достаточно большую мощность аллювия, поверхность цоколя – горизонтальная. Образование русловых озёрных котловин связывается с эрозионно-аккумулятивной деятельностью рек, водность которых менялась в прошлом по климатическим причинам. На территории Западно-Сибирской равнины к ним относят котловины довольно крупных озёр Урюма, Песчаного, Хорошего, которые входят в системы рек Чулым, Баган, Кара- сук, Бурла. В сухие эпохи возможна также эоловая обработка котловин. Среди пойменных котловин наиболее известны старицы (староречье, курья) – участки прежнего русла реки. Старицы образуются в результате русловых про- цессов свободного меандрирования, при котором цикл развития излучины завер- шается промывом перешейка петли рус- ла. Поток переходит в спрямлённое рус- ло, а старое – главное русло, превращает- ся в старицу. Староречье (старица) – полностью или частично отделившийся от реки участок её прежнего русла. Несмотря на своё внешнее сходство с озёрами поймы, террасовые озёра отличают- ся большим возрастом, на них значительно сильнее влияют зональные условия. Кроме того, террасовые водоёмы практически не промываются паводковыми водами, что, по- видимому, вызывает повышенную минерализацию воды, меньшее содержание кислоро- да в зимнее время, более низкую продуктивность биомассы, чем в озёрах поймы. Почвы берегов нередко подвергаются засолению, что накладывает отпечаток на характер расти- тельности их побережий. Из-за отсутствия работы паводковых вод не происходит раз- мывание грунтов побережий и дна озёрных котловин. На Западно-Сибирской равнине к котловинам надпойменных террас можно отнести котловины озёр бассейнов реки Оби – Самотлор, Кымылэмтор, Белое, Вильент, Сыгтым- лор, Иллипек, Амбарное; реки Иртыша – Большой Уват, Артёво, Утичье; реки Тобола – Крутали, Бездонное, Тениз, Малые Донки; реки Ишима – Горькое, Лебяжье, Полковни- ково, Никульские, Убиенное, Зарослое, Яровское, Мергень. Они цепочкообразно распо- лагаются на расстояниях в сотни километров вдоль тыловых швов вторых и третьих надпойменных террас, иногда имеют довольно крупные размеры в плане. Некоторые котловины врезаны в коренные породы цоколей террас при глубине несколько десятков метров. 33

Соры – это мелководные, часто солёные озёра с топким дном в Казахстане, на юге Западной Сибири, а также в поймах крупных рек; мелководные заливы озёр. Характер- ной особенностью бассейна реки Оби является наличие временных крупных мелковод- ных водоёмов озёр-соров. Площадь озёра Вандмтора, например, 126 км2, Унтора – 104 км2, Большого Сора – 75 км2. Образование соров связывается с пойменными про- цессами в условиях длительных подпоров половодий с возможным участием тектониче- ских факторов. Вторичные пойменные озёра образуются в констративную фазу динами- ки реки, преимущественно вдали от русла на плохо дренируемых участках поймы, где грунтовые воды залегают близко к поверхности. В понижениях пойменного рельефа об- разуются мелководные стоячие водоёмы от небольших озерков до крупных озёр. Эрозионно-аккумулятивные водно-ледниковые озёрные котловины широко рас- пространены в пределах деградации оледенений, ледяные покровы которых, включая Лаврентьевский и Скандинавский, занимали площадь не менее 16 млн. км 2, а также ты- сячи квадратных километров были покрыты горными ледниками. Во время деградации оледенения весь эродированный и перемещённый телом ледника обломочный материал откладывался в местах таяния. Таким образом, обширные территории оказались усеян- ными валунами и щебнем, покрытыми мелкозернистыми ледниковыми отложениями. Ледниковые отложения подразделяются на морену и сортированные осадки. В со- став отложенных морен входят валуны, щебень, песок, супесь, суглинок и глина. Воз- можно преобладание одного из этих компонентов, но чаще всего морена представляет собой несортированную смесь двух или большего числа составляющих, а иногда встре- чаются все фракции. Сортированные осадки формируются под воздействием талых лед- никовых вод и слагают зандровые водно-ледниковые равнины, долинные зандры, камы и озы, а также заполняют котловины озёр ледникового происхождения. Видами котловин эрозионно-аккумулятивного водно-ледникового подкласса явля- ются котловины рытвинные, эворзионные котлы, межозовые рытвины, межкамовые кот- ловины, внутризандровые и маргинальные ложбины стока, котловины приледниковых озёр. Данные виды котловин формировались за счёт эрозии и термоэрозии при гидроста- тическом давлении или падении воды, тоннельной и концентрированной термической и механической эрозии, а также аккумуляции с последующей инверсией рельефа. Рытвинные котловины приурочены к днищам ложбин ледникового выпахивания и размыва. Эта элементарная резко выраженная эрозионная форма, особенно на поверхно- сти без дернового покрова, легко может преобразоваться в овраг и водоём. Эворзионные котлы [evorsio - вращение] – углубления в дне потоков, образованные вертикально падающей водой. К ним относятся, например, котловины у подножий водо- падов. К эворзионным котлам отнесены небольшие в плане, но глубокие образования, встречающиеся в разных районах ледниковой зоны. На Западно-Сибирской равнине, по- луострове Ямал – озёра Хейто глубиной 49 м при площади 30 га, Тангантинто – глубина 40 м, Яррото – глубина 33 м. Отмечается наличие озёр глубиной до 60 м на водоразделе рек Полуй, Куноват, Казым и пр. Озы представляют собой крутосклонные валообразные гряды, напоминающие железнодорожные насыпи; они вы- тянуты по направлению движения ледника и сложены хо- рошо промытыми слоистыми песчано-гравийно- галечными отложениями с включением валунов. Высота таких гряд от 10 до 30 м, иногда до 50 м и выше, протя- женность от сотен метров до десятков километров. Осо- бенно большое развитие имеют озы в Финляндии и Шве- ции, встречаются в Прибалтике, Белоруссии и других ре- гионах. 34

Наличие «озовых плотин» создаёт естественные возвышенности рельефа, которые при определённых условиях могут образовать котлованы, называемые межозовой рыт- виной. На Западно-Сибирской равнине к межозовым котловинам относят длинные, глу- бокие (до 50 м) котловины озёр Дюкогит, Тарамук и Долгое. Камы представляют собой небольшие крутосклонные холмы и короткие гряды не- правильной формы, сложенные из сортированных осадков. Вероятно, они образовались разными способами. Некоторые были отложены близ конечных морен потоками, выте- кавшими из внутриледниковых трещин или подледниковых туннелей. Эти камы часто сливаются в широкие поля слабосортированных наносов, называемых камовыми терра- сами. Другие, по-видимому, были сформированы в результате таяния крупных глыб мёртвого льда у конца ледника. Возникшие при этом котловины заполнялись отложени- ями потоков талых вод, и после полного таяния льда там формировались камы, слегка возвышающиеся над поверхностью основной морены. Камы встречаются во всех обла- стях покровного оледенения. Высота их от 2-5 до 20 м и более. Камовый рельеф харак- терен для Карелии, Прибалтики, а также Польши. Камы разделены понижениями, иногда в виде бессточных котловин, занятых озёрами или заболоченных, которые называются межкамовыми котловинами. Зандровая равнина представляет собой полого - волнистую равнину, расположен- ную непосредственно перед внешним краем конечных морен, сложенную слоистыми осадками талых ледниковых вод: галечниками, гравием и песками, являющимися про- дуктами перемывания морены. 3андровая равнина – это слившиеся пологие, плоские, большого радиуса конусы выноса (зандровые конусы) ледниковых потоков. В настоящее время образование зандровых равнин наблюдается у края ледников аляскинского типа и ледников Исландии. Особенно сильно образование зандровых равнин шло в четвертич- ное время у края ледниковых покровов. На территории бывшего СССР зандровые рав- нины развиты в Европейской части, особенно в Полесье, – в бассейне рек Днепр, Ока и в Азиатской части – на 3ападно-Сибирской низменности. На поверхности зандровых рав- нин формируются внутризандровые котловины. Например, западины – результат вытаи- вания глыб льда. Маргинальные ложбины стока (маргинальные каналы) являются древними эрози- онными ложбинами, промытыми потоками талых ледниковых вод, стекавших вдоль края древнего ледникового покрова там, где он встречал обратный уклон рельефа. Подобные формы рельефа – латеральные каналы (ярусные долины) – часто присутствуют у краёв современных и древних горных и выводных ледников, главным образом в их концевой части; каждый ярус этих образований отражает этап утоньшения льда. Встречаются в большинстве ледниковых районов: Скандинавия, Земля Франца-Иосифа, Тянь-Шань, Алтай, Северо-Восточная Сибирь, Тува и в других местах, находящийся на границе двух сред. Подобные объекты сложившегося рельефа местности являются условиями образо- вания котловин маргинальных ложбин стока, а также маргинальных и радиальных до- линных зандров. Маргинальный – вынесенный за пределы, вторичный от ледника. Приледниковое озеро образуется тающим ледником и снежно-фирновой толщей, перекры- вающей ледник выше границы питания. При этом ледник может находиться как в стадии де- градации, так и в фазе активного наступления. Приледниковые озёра разных генетических ти- пов являются непременным элементом ниваль- но-гляциальной зоны (самый верхний ланд- шафтно-климатический пояс в горах). Чем крупнее ледники, тем крупнее озёра, и тем больше их число и площади. 35

Территории, где располагаются отдельные озёра этого генезиса или их группы, все- гда несут геолого-геоморфологические свидетельства работы древних или современных ледников. Остаточные озёрные котловины включают боль- шую группу впадин-реликтов древних озёр, сохра- нившихся до сих пор в рельефе на месте былых крупных водоёмов, к которым, например, относятся крупные озёрные котловины Кулундинской равнины. Другую категорию остаточных котловин представ- ляют собой чаши озёр древних ложбин стока. Боль- шую группу составляют озёрные котловины отмёр- ших (исчезнувших) долин. Суффозионные котловины – отрицательные формы рельефа; образуются как кот- ловины просадочного происхождения на местах интенсивного выноса подземными во- дами мелкоземистых и минеральных частиц. Характерны для лесостепной и степной зон Западно-Сибирской равнины, Окско-Донской равнины и ряда других регионов России. Суффозия является процессом выноса мелких минеральных частиц породы филь- трующейся через неё водой. Суффозия близка к карсту, но отличается от него тем, что является преимущественно физическим процессом и частицы породы не претерпевают дальнейшего разрушения. Необходимым условием начала процесса является определён- ное значение напора воды, ниже которых происходит только фильтрация. Приводит к проседанию вышележащей толщи и образованию западин (суффозионных воронок, блю- дец, впадин) диаметром до 100 метров и пещер. Одним из необходимых условий суф- фозии является наличие в породе как крупных частиц, образующих неподвижный кар- кас, так и вымывающихся мелких. Например, лёс и лёсовидные суглинки. В карбонат- ных и гипсоносных песчано-глинистых отложениях и мергелях карст и суффозия могут проявляться одновременно. Это явление носит название глинистый карст или глинистый псевдокарст. Абразионно-аккумулятивные озёрные котловины формируются за счёт донных и береговых абразионно-аккумулятивных процессов морских и крупных озёрных внутри- континентальных водоёмов. В результате размыва придонными течениями образуются котловины типа абразионных борозд и котлов одновременно с созданием положитель- ных аккумулятивных ориентированных форм. Возможно, что подобным образом шло образование котловинно-холмисто-гривного рельефа южных равнин. Абразионно-аккумулятивными процессами формируются так называемые первич- ные впадины морского дна, которые становятся озёрными котловинами при осушении последнего. На поверхностях современных морских террас обнаружены линзы озёрных отложений мощностью до 8 м, в поперечнике достигающие 9 км – фиксирующие озёр- ные котловины. Вдоль побережья Карского моря на низких аккумулятивных участках, вследствие волноприбойной, приливной деятельности моря и вдольбереговых течений, возникают лагунные озёрные котловины – береговые и дельтовые. Класс гляциогенных котловин. Среди гляциогенных выделены экзарационные, лед- никово-аккумулятивные и мерзлотные озёрные котловины. Экзарация [от лат. exaratio - выпахивание] – экзогенный геологический процесс разрушения ледником слагающих его ложе горных пород с последующим выносом про- дуктов разрушения в виде валунов, гравия, гальки, песка и глины. Для материковых и горных ледников выделяют зону экзарации, близкую к области питания, где ледник про- изводит только разрушительную работу. Здесь образуются такие формы рельефа как троги, бараньи лбы, курчавые скалы и пр. Часто выносится весь осадочный чехол и об- нажаются массивно-кристаллические коренные породы, на которых ледник формирует характерные борозды, шрамы и штриховку. Вне данной зоны экзарация также может 36

проявляться, но параллельно с ледниковой аккумуляцией, в частности, при образовании друмлинов – продолговатые холмы обтекаемой эллиптической формы из материала пре- имущественно основной морены. В результате материковых оледенений в Европе сфор- мировалась большая зона экзарации на территории Балтийского щита, которым был уда- лён слой кристаллических пород толщиной 60 м. Таким образом, экзарационные котло- вины в осадочных породах образуются путём срезания и экскавации в зоне активного льда на контакте ледника и ложа или у края ледника. Гляциодепрессия представляет собой низменность, вытянутую в направлении дви- жения ледника. Как правило, они наследуют понижения доледниковой поверхности, ко- торые во время покровных оледенений были заполнены движущимися ледниковыми массами. Ложбина – линейно вытянутое незамкнутое неглубокое (от нескольких десят- ков сантиметров до нескольких метров) понижение рельефа с уклоном вдоль оси. Лож- бина не имеет четко выраженной бровки, с пологими мягкими склонами, плавно перехо- дящими к днищу и водораздельным пространствам. Ширина ложбины составляет от де- сятков метров до 150-200 м, в плане ложбины имеют извилистую форму. Ложбины свой- ственны равнинным и холмистым местностям, покрытым влаголюбивой растительно- стью, в периоды весеннего снеготаяния нередко заполнены водой. Ложбины имеют пре- имущественно эрозионное происхождение. К гляциодепрессиям относятся чаши крупнейших озёр полуострова Ямал. Напри- мер, озеро Яррото. Отмечается наличие с их южной и западной сторон окаймляющих подковообразных высоких напорных гряд. Отступление и таяние ледникового покрова с неравномерным отложением моренного материала сопровождалось формированием множества ледниково-аккумулятивных котловин в зонах развития холмисто-грядового рельефа. Среди них выделен ряд котловин, образующихся в результате неравномерной аккумуляции моренных отложений. Такие котловины называют подпрудными (плотин- ными), а их отличительными признаки являются малые размеры и глубины, сходный ха- рактер подводной и надводной части склона, сложная конфигурация береговой линии озёр, образуемой склонами холмов, неровное дно. Другой род ледниково-аккумулятивных котловин отнесён к категории аккумуля- тивно-просадочных, которые образуются при вытаивании погребённого наносами мёрт- вого льда. Такие котловины называются ледниково-просадочными. Среди них выделяют моренно-просадочные, зандрово-просадочные и др. При этом такие котловины не следу- ет называть термокарстовыми, как это часто делается, поскольку последний термин уже закреплён за просадочными формами, образующимися в результате вытаивания грунто- вых льдов при деградации многолетней мерзлоты. Поэтому среди гляциогенных котло- вин выделен подкласс мерзлотных, образующихся при протаивании подземных льдов зоны многолетней мерзлоты, объединяющий термокарстово-просадочные котловины, генезис которых связан с таянием мёрзлых грунтов – сегрегационных льдов, и категорию депрессий, образующихся при таянии подземных ледяных тел – инъекционных и жиль- ных льдов. Эоловые озёрные котловины образуются про- цессами дефляции или неравномерной субаэраль- ной аккумуляции. Встречаются, например, в Бель-Агачской степи, на незадернованных по- верхностях речных террас и пойм, а также на дру- гих поверхностях, сложенных осадками легкого механического состава. Отмечаются случаи раз- вевания зандровых песков с формированием не- больших (диаметром в сотни метров) эоловых котловин. Наиболее распространены аккумулятивные и аккумулятивно-дефляционные формы рельефа, образующиеся в результате перемещения и отложения ветром песчаных частиц, 37

а также дефляции (выработки) эоловых форм. К дефляционным формам средней вели- чины (до десятков метров) относятся борозды (ярданги), ложбины, котлы и ниши выду- вания, скалы причудливой формы (грибообразные, кольцевые и др.), к крупным (до не- скольких километров в поперечнике) – котловины выдувания и солончаково- дефляционные впадины. Последние образуются при совместном воздействии интенсив- но протекающих процессов физико-химического (солевого) выветривания и дефляции, в том числе на огромных площадях до сотен километров. Например, впадина Карагие в Западном Казахстане близ восточного побережья Каспийского моря является самой глу- бокой сухой впадиной в Казахстане и одной из наиболее глубоких в Азии, 132 метра ни- же уровня моря. Наиболее распространенными аккумулятивными формами эолового ре- льефа являются барханы, песчаные гряды и эоловая рябь. Биогенные озёрные котловины получили наибольшее развитие в гумидной клима- тогеоморфологической зоне. Это ванны внутриболотных вторичных, преимущественно небольших озёр. Особенно много их на выпуклых (верховых) сфагновых олиготрофных болотах Обь-Иртышского междуречья, где мощность торфяников достигает 10-12 мет- ров. Формирование торфяного покрова происходило на протяжении всего голоцена 9-10 тыс. лет. Озёрные котловины образуются в процессе роста торфяников, как результат формирования обращённого рельефа и вследствие деградации торфяников, обусловли- вающей их появление в качестве элементов озерково-мочажинных и озерково-грядово- мочажинных комплексов на заключительных стадиях развития торфяников. В зонах по- лигональных, крупно и плоскобугристых торфяников органогенные озёрные котловины образуются в основном за счет деградации реликтовых торфяников, находящихся в мно- голетнем мёрзлом состоянии, и потому могут быть названы биогенно-термокарстовыми. Гетерогенный тип котловин. Понятие «гетерогенный» означает состоящий из раз- личных по составу, свойствам и происхождению частей. Является противоположностью «гомогенный». Тип гетерогенных котловин включает подклассы: ледниково- тектонические, флювиально-термокарстовые, дельтово-термокарстовые, биогенно- термокарстовые. В отличие от других, ранее рассмотренных подклассов, гетерогенный генезис определяет несколько причин происхождения котловин. Техногенный тип котловин. Данный тип котловин включает подпрудный, вырытый и просадочный классы, которые подразделяются на подклассы: отчленённые плёсы, во- дохранилища рек, пруды, копани, котловины, карьеры и мульды оседания подземных выработок. Техногенные котловины – это природные объекты, создание которых обу- словлено развитием техники, применением каких-либо технологий и управляемые пре- имущественно деятельностью человека. Рассмотренные варианты генетической классификации озёр по М.А. Первухину и Н.П. Белецкой показывают сложность решаемой задачи. Озёрные котловины являются результатом сложных естественных и техногенных процессов, по времени определяемых масштабами геологической шкалы планеты и протекающих в поверхностном слое зем- ной коры в условиях интенсивного воздействия объектов гидрометеорологической си- стемы Земли. Понимание сути генетических процессов формирования озёрных систем возможно с привлечением научных знаний в области описательной, динамической и ис- торической геологии; гидрологии суши – потамология, болотоведение и гляциология; метеорологии, геофизики и других научных дисциплин о Земле. Многоаспектность про- блемы требует глубокого учёта особенностей регионов и системности формируемых знаний, уровень агрегации которых зависит от конкретно возникающих фундаменталь- ных и прикладных задач исследований. 38

Морфометрическая классификация. Морфометрия озёр отражает, с одной сто- роны, специфику развития котловины, с другой стороны – процессы, протекающие в водной массе озёра. Поэтому многие лимнологи делали попытки расклассифицировать озёра по тому или иному морфометрическому признаку. Видный русский географ, лим- нолог, гидробиолог, крупнейший исследователь озера Байкал, профессор Глеб Юрьевич Верещагин (14.04.1889 - 01.02.1944) подчеркивал, что морфометрия важна как при инди- видуальной характеристике каждого озера, так и при их сравнительном изучении. К настоящему времени разработаны схемы классификации озёр по величинам площадей водных поверхностей, объёмам водной массы, средней и максимальной глу- бинам озёр, по показателю относительной глубины и расчленённости берегов, по показа- телям формы озёрной котловины и удлинённости озёр. Некоторые исследователи отно- сят к морфометрическим классификациям и разделение озёр по величине удельного во- досбора. Классификация озёр по площади водной поверхности. Применительно к площади П.В. Иванов в 1948 году предложил лимно- логическую классификацию, располагая классы водоёмов в геометрической прогрес- сии, со знаменателем равным 10 и начальной площадью 0,001 км2. Эта классификация поз- волила объективно оценить озёра по их вели- чине и нашла широкое применение в услови- ях Северо-Запада России и в Беларуси. Все озёра мира по величинам площадей водной поверхности П.В. Иванов объеди- нил в семь классов, дав им обозначения: озерки – 0,001-0,01 км2 и 0,02-0,1 км2; очень малые – 0,1-1,0 км2; малые – 1,0-10 км2; средние – 10,1-100 км2; большие – 100,1-1000 км2; очень большие – 1000,1-10000 км2; великие озёра мира – 10000-100000 км2. Согласно классификации П.В. Иванова и данным, опубликованным в докладе [20], среди озёр России 98% – это озёра с площадью менее 1 кв2. Свыше 59 озёр – это боль- шие, очень большие и великие озёра, среди которых 10 озёр имеют площадь поверхно- сти более 1000 км2 (Байкал – 31722 км2, Ладожское – 17700 км2, Онежское – 9720 км2, Таймыр – 4560 км2, Ханка – 4070 км2, Чудское – 2613 км2, Убсу-Нура – 3350 км2, Чаны – 1400-2000 км2, Белое – 1125 км2, Выгозеро – 1143 км2). Каспийское море, являющееся по определению также озером, имеет размеры 371000 км2 и превышает более чем на 200000 км2 верхнюю границу площади для великих озёр мира, в эту классификационную схему не входит. Захаренков И.С. ввел свою трактовку классификации озёр по величине площади их зеркал, несколько изменив названия классов: «малые» – на «небольшие», «очень боль- шие» – на «весьма большие», объединив класс «озерки» с площадью поверхности от 0,02-0,1 км2 с классом «очень маленькие озёра» в один класс под названием «маленькие озёра» и ввёл новый класс «озёра - моря» с площадью зеркала от 100000 до 1000000 км2. Согласно классификации И.С. Захаренкова введено восемь классов озёр: озерки – 0,001-0,01 км2; маленькие – 0,02-1,0 км2; небольшие – 1,0-10 км2; средние – 10,1-100 км2; 39

большие – 100,1-1000 км2; очень большие – 1000,1-10000 км2; великие озёра мира – 10000-100000 км2; озёра-моря – 100000-1000000 км2. В отличие от классификации П.В. Иванов уточнён класс озёр с площадью ниже ма- лых (небольших), что удобнее для ведения рыбного хозяйства на внутренних водоёмах, и определён класс озёр, именуемых как озёра-моря. Единственный представитель – Кас- пийское море с площадью водной поверхности около 371000 км2. Нормативная классификация водоёмов (в том числе озёр) устанавливается ГОСТ 17.1-1.02-77 «Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных объектов» [17]. В нём по морфометрическому признаку вводится четыре категории площади по- верхности озёр: очень большая – свыше 1000 км2; большая – 101-1000 км2; средняя – 10-100 км2; малая – до 10 км2. Классификация водоёмов по площади водной поверхности, рекомендованная в нормативном документе, включает озёра от «малой» до «очень большой» площади и в общих чертах совпадает с классификацией П.И. Иванова. Классификация озёр по средней и макси- мальной глубине. В своей работе [31], посвя- щённой биопродуктивности озёр, С.П. Китаев исследовал озёра площадью до 100 км2 раз- личных природных зон Европы и Канады. Од- ним из результатов исследования стало введе- ние классов озёр по средней и максимальной глубине. Самое глубокое озеро в мире – Байкал, максимальная глубина 1642 метра. На основе анализа данных по 5255 озёрам С.П. Китаев ввёл пять классов средних глубин озёр, расположенных в геометрической прогрессии со знаменателем 2: очень малые – меньше 2 м; малые – 2 - 4 м; средние – 4 - 8 м; большие – 8 - 16 м; очень большие – больше 16 м, при этом средние значения глубин озёр изменялись от менее чем 1 м до 48,8 м. На основе анализа данных по 5626 озёрам С.П. Китаев ввёл шесть классов макси- мальных глубин озёр: очень малой – меньше 3,12 м; малой – 3,12 - 6.25 м; средней – 6,25 - 12,5 м; повышенной – 12,5 - 25 м; большой – 25 - 50 м; очень большой – более 50 м. При этом интересно отметить, что сопоставление средней и максимальной глубин, показателя ёмкости – отношение средней к максимальной глубине – с площадью озёр разных природных зон указывает, что как средняя, так и максимальная глубина во всех природных зонах с увеличением площади озера возрастает, в то время как показатель ёмкости уменьшается. 40

При решении задач экологической оценки воздействия гидротехнических сооруже- ний на водные объекты [70] классификация озёр включала всего три группы: мелководные – 8 - 10 м; средние – 10 - 20 м; глубоководные – более 20м. В ГОСТ 17.1-1.02-77 «Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных объ- ектов» [17] приведены четыре категории водоёмов по их максимальной глубине: очень малая – до 5 м; малая – от 5 до 10 м; средняя – от 11 до 50 м; большая – свыше 50 м. Кроме рассмотренных морфометрических схем классификации озёр используются также варианты классификации по показателям: относительная глубина, объём чаши, расчленённость берегов, форма котловины и др. При этом следует отметить, что многие варианты классификации озёр разрабатывались для отдельных прикладных исследова- ний. Например, «по глубине» для исследования биопродуктивность и экология озёр. Гидрологическая классификация. Кроме площади озера, максимальной и средней глубины другими очень важными гидрологическими показателями являются удельный водосбор и показатель условного водообмена, который указывает на количественную связь озера с замыкаемым им бассейном или водосбором. В 1934 году известный лимнолог В. Хальбфасс предложил показатель удельного водосбора, как отношение площади водосбора к площади озера и подчеркнул значение в жизни озера водного баланса. Он привёл данные по 110 озёрам и показал, что этот пока- затель изменяется от 1,4 до 10306 и при одинаковой водосборной площади приток воды зависит от климата, рельефа и стока. В. Хальбфасс также по 14 озёрам оценил число лет, необходимое для полной смены воды в озёрах. Известные российские гидрологи Сергей Владимирович Григорьев и Борис Бори- сович Богословский независимо разработали схемы гидрологической классификации озёр с применением показателя удельного водосбора и условного водообмена [31]. С.В. Григорьев не только ввёл в практику использование показателя удельного во- досбора, как отношение площади водосбора, замыкаемой данным озером, к площади ак- ватории озера, а также показатель условного водообмена или сменности объёма воды озера объёмом воды с водосборной площади, но и разработал гидрологическую класси- фикацию озёр в зависимости от этих показателей. Показатель удельного водосбора определяется отношением Fвз ΔFоз = , (4) Fоз где Fоз – площадь озера; Fвдс – площадь водосбора озера. Условное число лет, необходимое для полной смены воды в озере, определяется выражением Fоз ·hоз.макс ат = , (5) k·а·Fвдс где Fоз – площадь озера; hоз.макс – максимальная глубина озера; k – постоянный коэффи- циент; а – объём стока воды в год с 1 м2 (м3/м2·год); Fвдс – площадь водосбора озера. Величина, обратная ат, является показателем условного водообмена озера 1 авод = а . (6) т 41

По показателю условного водообмена С.В. Григорьев в 1958 году выделил три группы и две подгруппы озёр: 1. Группа малого условного водообмена – авод ˂ 0,5, включающая подгруппу с очень малым показателем условного водообмена – авод ˂ 0,2; 2. Группа среднего условного водообмена – 0,5 ˂ авод ˂ 5,0; 3. Группа большого условного водообмена – авод ˃ 5,0, включающая подгруппу с очень большим показателем условного водообмена – авод ˃ 50,0. При переводе граничных значений для определения групп условного водообмена в значения условного числа лет, необходимых для полной смены воды в озере, получаем 2 года и 2,5 месяца соответственно. Для границ подгрупп 5 лет и 1 неделя соответственно. Б.Б. Богословский [7] разработал классификацию озёр по водному балансу, осно- ванную на процентном соотношении его составляющих. Он выделил две большие груп- пы озёр: стоковые и испаряющие. В первой группе сток озёр превышает испарение с водной поверхности, во второй группе – преобладает испарение. В свою очередь, внутри каждой из групп выделяются три подгруппы озёр, отличающиеся по приходной части баланса: приточные с преобладанием притока с водосбора над атмосферными осадками на зеркало озера, нейтральные с примерным равенством этих показателей и дождевые с преобладанием осадков над притоком. Б.Б. Богословский также разработал фундаментальную классификацию континен- тальных водоёмов по величине внешнего водосбора [8]. Таблица 5 – Классификация континентальных водоёмов по величине внешнего водосбора (по Б.Б. Богословскому) Класс Подкласс авод Т1 ˃300 Транзитные Т2 100-300 ТА1 30-100 Транзитно-аккумулятивные ТА2 10-30 АТ1 3-10 Аккумулятивно-транзитные АТ2 1-3 А1 0,3-1 А2 0,1-0,3 Аккумулятивные А3 0,03-0,1 А4 ˂0,03 В соответствии с этой классификацией выделено два резко отличных друг от друга класса водных объектов: транзитные (авод >100) и аккумулятивные (авод < 1). К транзитным водоемам отнесены участки рек со скоростью течения больше 1 м/с (подкласс Т1), участки рек со скоростью течения 0,3-1 м/с (подкласс Т2), а также водо- хранилища суточного регулирования. Аккумулятивные водоёмы охватывают озёра с замедленным водообменом и водо- хранилища многолетнего регулирования (подкласс A1), крупные бессточные и сточные озёра с малым водообменом (подкласс А2), крупные сточные и бессточные озёра с весь- ма малым водообменом (подкласс А3) и озёра с исключительно малым водообменом (подкласс А4). Между классами транзитных и аккумулятивных водоёмов расположены промежу- точные классы. Класс транзитно-аккумулятивных водоёмов включает сильно проточные озёра и водохранилища (подкласс TA1), а также проточные озёра и водохранилища не- дельного и месячного регулирования (подкласс ТА2). Аккумулятивно-транзитные водо- емы – это среднепроточные озёра и водохранилища сезонного регулирования (подкласс AT1), а также слабопроточные озёра и водохранилища сезонного и многолетнего регули- рования (подкласс АТ2). 42

Кроме рассмотренных выше гидрологических классификаций озёр С.В. Григорьева и Б.Б. Богословского появились классификационные схемы других учёных, которые в большей степени учитывали особенности регионов. Например, классификация С.П. Ки- таева для озёр Европейской части бывшего СССР, в которой введено пять классов озёр по показателю условного водообмена: очень малый – авод ˂ 0,25, малый – 0,25 ˂ авод ˂ 1, средний – 1 ˂ авод ˂ 4, большой – 4 ˂ авод ˂ 16, очень большой – авод ˃ 16. 3.2. Классификации характеристик водных экосистем Гидрофизические классификации. Гидрофизика – раздел гидрологии изучающий физические свойства и процессы, происходящие в водной оболочке Земли (гидросфере). К вопросам, изучаемым гидрофизикой, относятся: молекулярное строение воды во всех состояниях; физические свойства воды во всех её состояниях – тепловые, радиационные, элек- трические, радиоактивные, акустические, оптические, механические; процессы, происходящие в водотоках и водоёмах – динамические, термические; распространение, поглощение и рассеяние света в толще воды, снега и льда. Классификации озёр, основанные на гидрофизических свойствах водной оболочки Земли, определяются в основном её тепловыми и оптическими свойствами, а также про- цессами: термические; распространение, поглощение и рассеяние света в толще воды и льда [31]. Гидрофизические свойства озёр географически связываются с широтной и вы- сотной физико - географической зональностью суши, в основе которой находится закон географической зональности, который был сформулирован известным российским поч- воведом Василием Васильевичем Докучаевым (1848-1903). Закон определяет изменение физико-географических процессов, компонентов и комплексов геосистем от экватора к полюсам в зависимости от поступающей солнечной радиации. В соответствии с законом географической зональности вводится понятие широтной зональности, физической основой которой является неравномерное распределение сол- нечной энергии по причине: эллиптичности орбиты движения Земли вокруг Солнца и наклона оси её вращения к плоскости эклиптики – смена времён года; шарообразной формы Земли и её суточному вращению – периодичность смены времени суток. Крайними проявлениями широтной зональности в системе «Земля - Солнце» явля- ется наличие в арктических и антарктических областях полярных ночей, сурового кли- мата и вечной мерзлоты. В соответствие с законом географической зональности на поверхности суши Земли введена система физико-географических зон – части географического пояса с однород- ными климатическими условиями. Название зон берёт своё название от растительности, присущей им, и других гео- графических особенностей. Зоны закономерно сменяются от экватора к полюсам и от океанов вглубь континентов; имеют близкие условия температур и увлажнения, опреде- ляющие однородные почвы, растительность, животный мир и другие компоненты при- родной среды. Принятое современной наукой деление суши Земли на физико- географические зоны представлено на рисунке. Дифференциация растительного покрова Земли под влиянием распределения суши и моря, неоднородности рельефа и наличия горных систем определяет закон сектораль- ности (азональности, провинциальности, меридиальности). Он дополняет закон геогра- фической зональности и позволяет учесть изменения климатических факторов при про- движении в глубину материка (так называемое нарастание континентального климата), поднятия по высоте в горных системах и т.д. 43

Рисунок 15 – Современное представление о физико-географическом районировании суши Земли (по В.В. Докучаеву) С высотой климат изменяется: на 1 км подъёма температура воздуха снижается в среднем на 60C, уменьшается давление воздуха, его запылённость, возрастает интенсив- ность солнечной радиации, до высоты 2-3 км увеличивается облачность и количество осадков. По мере нарастания высоты происходит смена ландшафтных поясов. Величина солнечной радиации увеличивается, температура воздуха снижается, происходит умень- шение количества осадков. Между широтными поясами и высотными зонами есть ча- стичное сходство в климатических особенностях, размещении растительности и почв. Однако многим поясам невозможно найти полные широтные аналоги. Например, по ре- жиму солнечной радиации – тундра севера и вершины гор. Для горных систем формиро- вание типов высотной поясности определяют географическое положение, абсолютная высота, рельеф, климат, экспозиция склонов и пр. Полный спектр высотной поясности можно наблюдать в крупных горных массивах экваториальных и тропических широт (Анды, Гималаи). Классификации термические. Термический режим озёр во многом определяет сте- пень развития водной растительности, бентоса, зоопланктона, рыбы и наряду с оптиче- скими особенностями, химизмом, динамикой водных масс и строением озёрной чаши является одним из ведущих экологических факторов. Бентос [от греч. βένθος - глубина] – совокупность организмов, обитающих на грунте и в грунте дна водоёмов, зоопланктон – часть планктона, представленная животными, которые не могут противостоять течениям и переносятся вместе с водными массами. Все предложенные термические классификации озёр по заложенным в них прин- ципам можно разделить на три группы [31]: классификации озёр, основанные на принципах широтной и высотной физико - географической зональности; классификации озёр одной физико - географической зоны (большей частью умерен- ной зоны), основанные на различных принципах детализации; 44

классификации озёр, основанные на принципе учёта физико - географической зо- нальности и характере водообмена по вертикали. Одной из первых термических классификаций озёр была классификация, предло- женная основателем лимнологии Франсуа-Альфонсом Форелем в 1892 году. В ней все озёра мира были разделены на три основных типа: полярные, с температурой воды tmin ˂ tmax ˂ 40С; умеренные, с температурой воды tmax ˃ 40С ˃ tmin; тропические, с температурой воды tmax ˃ tmin ≥ 40С. Спустя полсотни лет классификация Ф. Фореля была дополнена субтропическими, субполярными и экваториальными типами озёр. Затем среди тропических озёр были вы- делены подтипы: субтропические озёра, озёра влажных зон тропиков и озёра периодиче- ских сухих внетропических зон. А. Зефар в 1959 году ввёл в подразделение озёр умеренного, тропического и суб- тропического типа принципы вертикальной зональности: Полярные: субполярные. Умеренные: умеренные субарктические 1 ˂ h ˂ 2 км; умеренные арктические h ˃ 2 км. Тропические: тропические субтропические 1 ˂ h ˂ 2 км; тропические умеренные 2 ˂ h ˂ 4 км; тропические субарктические 4 ˂ h ˂ 6 км; тропические арктические h ˃ 6 км. Субтропические: субтропические умеренные 1 ˂ h ˂ 2 км; субтропические субарктические 2 ˂ h ˂ 4 км; субтропические арктические h ˃ 4 км, где h – высота над уровнем моря. Классификации озёр, в основу которых положен принцип широтной и высотной физико-географической зональности, хорошо учитывают положения озёр на поверхно- сти суши, но не принимают во внимание влияние глубины озёр на распределение темпе- ратуры воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Морфометрические характеристики озёр учитываются термическими классифика- циями для одного зонального типа. В основу этой группы классификаций заложено 12 принципов: температура придонного слоя воды в летний период; средняя температура столба воды в районе максимальной глубины или средняя температура воды всего озера в период летней стагнации (слоистое строение воды); суммы температур воды (градусо-зоны) за период с температурой выше 40С; характеристика термика (поднимающийся термический воздушный поток) тепло- активного слоя и влияние его на прилегающие территории; характер нагревания водных масс в весенне-летний период; разность температур придонных слоёв воды в летний и зимний периоды; отношение глубины эпилимниома (верхний теплый и богатый кислородом слой во- ды в озере) к максимальной глубине озера; годовые колебания температуры воды и характер температурной стратификации летом; характер летнего перемешивания водных масс в зависимости от площади, глубины озера и разгона ветром; перепад температуры воды по глубине летом, теплоотдача ложа дна зимой, измен- чивость придонной температуры воды летом и зимой, численные значения критериев Фурье и Био (характеристики тепломассообмена); соотношение тепла, идущего на прогрев водоёма и на испарение; соотношение пелагиали и бентали в период летней стагнации. 45

Для примера рассмотрим вариант термической классификации, предложенный Павлом Фёдоровиче Домрачевым в 1922 году. Зональный тип – Северо-Западный край бывшего СССР, принцип – летняя средняя температура столба воды, а также разность температур на поверхности и у дна озера. Согласно классификации П.Ф. Домрачева в глубоких озёрах средняя температура столба воды в районах максимальных глубин составляет около 110С при разности между поверхностной и придонной температурой 13-200С, в средне-глубоких – 16 и 60С соот- ветственно, в мелководных озёрах – 20 и 20С. Развивая классификацию П.Ф. Домрачева, можно за основу взять среднюю инте- гральную температуру всего озера в летний период (С.П. Китаев, 1975 г.) и в зависимо- сти от её величины разделить водоёмы на следующие классы: очень тёплые – средняя температура воды более 200С; тёплые – средняя температура воды 15-200С; умеренно холодные – средняя температура воды 10-150С; холодные – средняя температура воды 5-100С; очень холодные – средняя температура воды менее 50С. Кроме того, озёра умеренной зоны по сумме температур воды (градус-дни) выше 100С можно поделить на следующие термические группы (С.П. Китаев, 1975 г.): очень тёплые – суммы температур более 40000С; тёплые – суммы температур 2000-40000С; умеренно холодные – суммы температур 1000-20000С; холодные – суммы температур 500-10000С; очень холодные – суммы температур менее 5000С. Хотя температура воды 100С имеет несколько условный характер, она весьма часто используется в климатологии и является легко контролируемым параметром. Комплексные термические классификации, основанные на принципе учёта физико- географической зональности и характере водообмена по вертикали, были предложены Г. Хатчинсоном и Леффлером (1956 г.) и Л.М. Галкиным (1979 г.). Г. Хатчинский и Леффлер полярные и субполярные озёра разделили на амиктиче- ские (без циркуляции) и холодные мономиктические (с одной циркуляцией в году). Озё- ра умеренной зоны почти все димиктические (две полные циркуляции в году), озёра тро- пических и субтропических зон – тёплые мономиктические, олигомиктические (несколь- ко циркуляций в году), холодные и тёплые полимиктические (почти ежедневная цирку- ляция). В последующем И. Бейли и В. Уильямс (1973 г.) среди мономиктических озёр классификации Хатчинсона - Леффлера ввели новый тип – тёплые мономиктические озёра с летним и зимним перемешиванием. Таблица 6 – Типы озёр мира в зависимости от физико-географических зон и числа полных периодов циркуляции [31] Типы озёр по циркуляции Зоны Хатчинсон, Леффлер, 1956 Бейли, Уильямс, 1973 Полярные Амиктические Амиктические Холодные Холодные Субполярные мономиктические мономиктические Умеренные Димектические Димектические Олигомиктические Олигомиктические Тропические Полимиктические Полимиктические Холодные полимиктические Холодные полимиктические Тёплые мономиктические: Субтропические Тёплые мономиктические а) перемешивание зимой; б) перемешивание летом 46

Наиболее сложная термическая классификация озёр была создана П.М. Галкиным (1970 г.), в ней учитываются физико-географические зоны, интенсивность и глубина перемешивания, а также выделяются два чётко выраженных периода колебаний теплового потока – сутки и год. Классификации оптические. Оптиче- ские свойства воды в жизни водоёмов играют огромную роль, поэтому цвет- ность и прозрачность по белому диску приняты в число основных признаков, характерных для определения типов озёр. Например, воды озёр тундры, тайги и смешанных лесов Европы очень разно- образны по цвету – от синего до корич- невого цвета с переходами и по прозрач- ности, определённой белым диском. Определение прозрачности воды по белому диску является классическим полевым методом определения прозрачности в глубоких водоёмах. Метод предложен итальян- ским священником и астрономом Анджело Секки. Плоский диск белого цвета диаметром 30 см опускают на такую глубину, чтобы он полностью исчез из виду, эта глубина и счи- тается показателем прозрачности в гидрологии и океанологии. Диск Секки для измере- ния прозрачности был впервые применён капитаном Чиальди, командующим Папским флотом, 20 апреля 1865 года. Однако первые регулярные измерения прозрачности мор- ской воды были сделаны в Тихом океане во время русской кругосветной экспедиции на бриге «Рюрик» в 1815-1818 годах. В настоящее время диск Секки используется при ру- тинных измерениях, несмотря на то, что существуют и широко применяются также элек- тронные приборы для измерения прозрачности воды (трансмиссометры). Ряд исследователей-лимнологов, особенно скандинавских стран, установили вели- чины прозрачности воды, характерные для разных типов озёр. Например, С. Тунмарк (1937 г.) определил для озёр с коричневой водой прозрачность воды 1-2 м, жёлто- коричневой – 1-4 м; жёлтой – 3-6 м; жёлто-зелёной – 4-7 м; зелёной – 6-11 м. Обычно прозрачность воды коррелятивно связана с биомассой и продукцией планктона. В усло- виях разных природных зон умеренного пояса, чем меньше прозрачность воды, тем лучше в среднем развит планктон, т.е. имеет место отрицательная корреляция. На это указывали исследователи ещё в начале прошлого века. Изучение прозрачности вод позволяет оконтуревать распределение водных масс различного генезиса и косвенно судить о распределении течений в водоёмах с замедлен- ным водообменом. Измерение прозрачности на различных глубинах позволяет судить о расслоении водной толщи и распределении водных масс не только по горизонтали, но и по вертикали. И, наконец, прозрачность воды является одним из важнейших факторов, определяющих подводную освещённость, излучение которой необходимо для выяснения световых условий фотосинтеза. На основе данных по прозрачности воды в летний период для озёр Карелии, Фин- ляндии и Швеции С.П. Китаев (1970 г.) наметил следующие градации прозрачности: очень малая прозрачность – менее 1м; малая прозрачность – 1-2 м; средняя прозрачность – 2-4 м; высокая прозрачность – 4-8 м; очень высокая прозрачность – более 8 м. Для установления классов прозрачности С.П. Китаев взял геометрическую про- грессию со знаменателем 2. Дальнейшие исследования озёр разных природных зон Ев- ропы и Америки подтвердили правильность выделения классов прозрачности. 47

На основе изучения 856 водоёмов Европейской части СССР, Финляндии, Швеции, Польши, Канады и США (северо-восток) были определены значения средних прозрачно- стей озёр регионов. Таблица 7 – Средняя прозрачность по белому диску воды озёр Европы и Америки [31] Средняя Страна Число озёр прозрачность, м Европейская часть СССР 2,87 1326 Финляндия 2,60 222 Швеция 4,10 225 Польша 2,23 416 Канада и США (северо-восток) 4,63 970 Всего 3,39 3159 Средняя величина прозрачности воды 3159 озёр Европы и Америки составляет 3,39 метра. Если во внимание принять средние показатели прозрачности озёр зоны тундры, тайги и смешанных лесов только Европы, то она составит 2,84 м. Обычно в различных природных зонах встречаются озёра всех классов прозрачно- сти; от очень мало прозрачных до очень высоко прозрачных, а удельный вес различных классов и средние показатели прозрачности отличаются. Наибольшие средние показате- ли прозрачности 3,65 метра наблюдаются в озёрах тундры, наименьшие 2,69 метра – в озёрах зоны смешанных лесов. Таблица 8 – Прозрачность (по белому диску) воды различных природных зон [31] Прозрачность, м Средняя Число Зона прозрачность, ˂1 1-2 2-4 4-8 ˃8 озёр м Тундра 4 12 16 13 2 3,65 47 Северная тайга 47 90 120 82 7 3,17 346 Средняя тайга 71 161 185 85 3 2,76 505 Смешанный лес 85 111 164 65 3 2,69 428 Удельный вес озёр с очень малопрозрачной водой с 8,2% в зоне тундры увеличива- ется до 19% в зоне смешанных лесов. Озёра с прозрачностью 1-2 и 2-4 м в разных при- родных зонах имеют примерно одинаковый удельный вес: 25,6-31,9 % у озёр с прозрач- ностью 1-2 м и 34,2-38,4 % у озёр с прозрачностью 2-4 м. Удельный вес озёр высоко про- зрачных и очень прозрачных от зоны тайги к зоне смешанных лесов уменьшается. Классификация озёр по показателям зональности и прозрачности наиболее широко используется при проведении гидробиологических исследований. Гидробиология – наука о жизни и биологических процессах в воде, одна из биоло- гических дисциплин. Современная гидробиология может рассматриваться в значитель- ной степени как раздел экологии, но также включает в себя таксономию, экономическую биологию, промышленную биологию, морфологию, физиологию и т.д. Отличительная черта в том, что всё это рассматривается по отношению к водным организмам. Значи- тельная часть работ по-прежнему связана лимнологией. Гидрохимические классификации. Озёрные воды, так же как и любые другие при- родные воды (речные, морские и пр.), содержат некоторое количество растворённых ве- ществ, среди которых различают минеральные и органические вещества и растворённые газы. В зависимости от относительного содержания растворённых минеральных веществ или от степени минерализации (солёности, концентрации) озёрные воды подразделяют на три группы: пресные – с содержанием растворённых веществ до 1 г/кг; солоноватые – 1-25 г/кг; солёные – более 25 г/кг. 48

Граница между пресными и солёными водами принята по среднему пределу чув- ствительности человека на вкус и выбрана на том основании, что при минерализации около 25 г/кг (для морской воды 24,695 г/кг) температуры замерзания и максимальной плотности воды равны между собой. При меньшей минерализации температура замерза- ния, как и у пресной воды, ниже, а при большей – выше температуры наибольшей плот- ности. Таким образом, эта граница имеет определенный физический смысл и важное гидрологическое значение. Термин «минерализация» обычно употребляется примени- тельно к пресной воде, «солёность» – к морской и «концентрация» – к солёной воде. Минерализация озёрных вод колеблется в широком диапазоне – от нескольких ты- сячных до 350 г и больше на 1 кг раствора. В одних озёрах вода оказывается настолько бедной растворёнными солями, что приближается к дистиллированной воде, в других, наоборот, вода достигает насыщения и из раствора выпадает самосадочная соль. Осо- бенно бедны растворёнными солями воды горных озёр, расположенных среди малорас- творимых кристаллических пород и питающихся слабоминерализованными талыми сне- говыми и ледниковыми водами, а также воды озёр, находящихся среди верховых сфаг- новых болот и питающихся почти исключительно атмосферными осадками. Сфагнум (или торфяной мох) – болотное растение, род мха (обычно беловатой окраски), из кото- рого образуется торф. Наиболее богаты солями бессточные самосадочные озёра засуш- ливых полупустынных и пустынных областей. С точки зрения происхождения солевого состава озёра подразделяются на матери- ковые и морские. В материковых озёрах солевая масса образуется путем испарения и преобразования питающих эти озёра поверхностных и подземных вод и вод атмосфер- ных осадков. К морским относятся озёра, являющиеся в настоящее время остатками или реликтами морей (например, Каспийское и Аральское моря), или отчленившимися от моря заливами, бухтами и лиманами (например, лиманы Азово-Черноморского побере- жья). Первоначально они имели воду близкую по составу с морской, но с течением вре- мени под влиянием материковых условий (повышенное испарение, принос солей с по- верхностными и подземными водами) значительно изменили свой химический состав. Некоторые озера, не связанные непосредственно с морем в настоящее время, обя- заны происхождением своей солевой массы выщелачиванию недавних морских отложе- ний. К таким озёрам относятся, например, озёра Прикаспийской низменности Эльтон, Баскунчак, Индерское и др. Среди растворенных в озёрной воде веществ различают минеральные и органиче- ские вещества, а также растворённые газы. Минеральные вещества, растворённые в воде, в свою очередь подразделяют на главнейшие ионы, биогенные вещества и элементы рассеяния. К главнейшим ионам, встречающимся в озёрной воде в наибольших количествах и, следовательно, обусловливающих её соленость и химический состав, относятся: гидрокарбонатные ионы – HCO3-; карбонатные ионы – СО32-; сульфатные ионы – SO42+; хлоридные ионы – Cl-; ионы кальция – Са2+; ионы магния – Mg2+; ионы натрия – Na+; ионы калия – К +. Основным источником поступления главных ионов в озёрную воду является при- нос их с речными водами. Биогенные вещества названые так потому, что они играют огромную роль в жизне- деятельности водных организмов, находятся в воде в виде ионов и коллоидов. Содержа- ние их в озёрной воде мало и они практически не влияют на величину общей минерали- зации. 49

К биогенным веществам относятся следующие ионы: нитратные ионы – NO3-; нитритные ионы – NO2-; ионы аммония – NH4+; ионы фосфорной кислоты – H2PO4- и HPO42-. Соединения азота и фосфора образуются в озёрной воде в результате биохимиче- ских процессов (распада и минерализации сложных органических веществ животного и растительного происхождения) с участием различных бактерий и ферментов. Содержа- ние указанных биогенных веществ в озёрной воде невелико, обычно значительно ниже 1 мг/л, однако присутствие их имеет громадное значение для развития растительных ор- ганизмов, осуществляющих фотосинтез. Соединения азота и фосфора играют в озёрной воде ту же роль, что и агрономические удобрения в почве. Без них не было бы расти- тельности в озёрах и, следовательно, прочих организмов, в том числе рыб, т.е. жизни в водоёме вообще. Кроме азота и фосфора, к биогенным веществам относятся различные соединения железа и кремния. Органические вещества, содержащиеся в озёрной воде, представляют собой слож- ный комплекс белковых, углеводных, жировых и других углеродистых соединений, представляют собой продукты распада самых различных растительных и животных ор- ганизмов. Они могут поступать в озёрные воды как извне (аллохтонные вещества), так и образовываться в самом озере (автохтонные вещества). К первым относятся так называемые гумусовые вещества, окрашивающие озёрные воды в желто-коричневые цвета и образующиеся при гниении (без достаточного доступа кислорода) остатков болотной растительности, древесной листвы и пр. Кроме того, орга- нические вещества могут поступать в озеро со сточными и промышленными водами, а также в результате смыва с покрывающих поверхность водосбора культурных земель, удобряемых органическими веществами. В самих водоёмах органические вещества непрерывно образуются в результате отмирания различных водных организмов. Одна часть этих остатков остаётся взвешенной в воде и служит пищей другим организмам или подвергается распаду, а другая – осаждается на дно, где и разлагается в более сложных условиях. Органические вещества по химическому составу чрезвычайно сложны и раз- нообразны, причём их большая часть находится в коллоидном состоянии. О содержании органических веществ в озёрной воде судят по её окисляемости, т.е. на основании реакции окисления этих веществ (по количеству потраченного кислорода в мг/л), так как непосредственный анализ представляет весьма большие затруднения. Растворённые в озёрной воде газы образуются в результате газообмена с атмосфе- рой или вследствие происходящих в воде биологических и биохимических процессов. Двуокись углерода (СО2) может поступать также с грунтовыми водами, нередко очень богатыми этим газом. Из растворённых газов наибольшее значение имеет кислород (О2) и двуокись угле- рода (СО2), а в некоторых озёрах – сероводород (H2S) и метан (СН4). Азот (N2) хотя и содержится в воде в больших количествах, но благодаря своей инертности не играет су- щественной роли. Растворимость газов в воде зависит от их природы, температуры, солёности воды и парциального (частичного) давления газа над водной поверхностью. Большой раствори- мостью в воде отличается СО2 и H2S, что объясняется химическим взаимодействием этих газов с водой. Растворимость газа обычно уменьшается с повышением температуры воды. При постоянной температуре растворимость газа в воде прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа в атмосфере. С увеличением минерализации раство- римость газа в воде уменьшается. Кислород поступает в озёрную воду главным образом из атмосферы, т.е. абсорби- руется поверхностными слоями воды и далее процессами перемешивания передаётся 50

вглубь. Другим источником кислорода в озёрной воде является процесс фотосинтеза, т.е. разложения растворённой в воде двуокиси углерода с выделением кислорода. Интен- сивность фотосинтеза зависит от содержания растворённого СО2, температуры воды и освещения. Поэтому фотосинтез происходит главным образом вблизи поверхности, т.е. в наиболее освещаемых и прогреваемых слоях. Присутствие кислорода в озёрной воде яв- ляется необходимым условием для существования большинства организмов, в том числе и рыб. Основными источниками появления в озёрной воде СО2 являются биологические и биохимические процессы. СО2 выделяется в воду при дыхании водных организмов и особенно интенсивно при окислении органических веществ. Поступление СО2 из атмо- сферы невелико, так как озёрные воды обычно содержат СО2 в больших количествах, чем это требуется для равновесия с атмосферой. В некоторых случаях СО2 вносится в озеро с грунтовыми водами, нередко очень богатыми этим газом. В озёрной воде непрерывно протекают процессы, направленные на изменение как общей концентрации растворённых в ней веществ, так и соотношения между ионами. К ним относятся процессы: физические – изменения объёма водной массы и её солесодержания, газообмена между водной массой и атмосферой, перемешивание воды, изменения температуры во- ды, образование и таяние льда; химические – ионные реакции изменения в равновесных системах, приводящие к выпадению в осадок солей или к растворению минералов, пород и грунтов; физико-химические – обмен ионов воды с ионами илов и взвешенных в воде ча- стиц, коагуляция частиц коллоидов; биологические – процессы дыхания живых организмов, извлечение солей для по- строения раковин, скелетов и пр.; биохимические – процессы созидания (фотосинтез) и распада (минерализация) ор- ганического вещества. Основой для систематизации в существующих гидрохимических классификаци- ях озёрных вод являются: величина минерализации, преобладающая химическая ком- понента или группа компонентов, соотношение между величинами концентраций раз- личных ионов, наличие повышенных количеств каких-либо специфических компонен- тов газового или солевого состава. Широко известны гидрохимические классификации на основе характеристик со- левого состава озёр. Среди них можно выделить Международную классификацию вод по степени минерализации (солёности) [70]. Достаточно распространённой является и классификация вод по величине минерализации, т.е. по сумме ионов, найденных в во- де при проведении гидрохимического анализа [55]. В таблице приводится полная ин- формация по данным классификациям. Существует классификация пресноводных водоёмов по сумме ионов: уль- трапресные (<100 мг/л), мало минерализованные (100-200 мг/л), средне минерализо- ванные (200-500 мг/л), с повышенной минерализацией (500-1000 мг/л). Предложены классификации на основе деления вод по нескольким главным ионам и по преоблада- ющим катионам и анионам. Разработана классификационная схема по сочетанию ше- сти главных ионов, присутствующих в воде. Хрестоматийной стала гидрохимическая классификация вод по О.А. Апекину [2]. В её основе находится принцип деления вод по количественному соотношению между преобладающими катионами и анионами. Сначала по преобладающему аниону воды делятся на 3 класса: гидрокарбонатная и карбонатная, сульфатная, хлоридная. В свою очередь каждый класс вод делится по преобладающему катиону на 3 группы: кальциевую, натриевую и магниевую, а каждая группа делится на 4 типа вод, опреде- лённых соотношением между ними. 51

Таблица 9 – Гидрофимические классификации озёр по степени и величине минерализации вод [42] Классификация и степень (величина) минерализации вод, г/кг Источник Пресные Галино- Галино- Олиго- Олиго- галинные – β галинные – α галинные – β галинные – α ˂ 0,1 0,11-0,50 0,51-0,75 0,76-1,00 Солоноватые [71] Мезогалинные – β Мезогалинные – α Полигалинные 1,01-5,00 5,01-18,00 18,01-30,00 Солёные Эругалинные Ультрагалинные 30,01-40,00 ˃ 40,01 Пресные, ˂ 1,0 Солоноватые, 1,0-25,0 С морской солью, 25,0-50,0 [55] Рассолы, ˃ 50,0 Существуют и другие классификации вод по степени минерализации, разработан- ные целым рядом отечественных и зарубежных исследователей. Например, классифика- ции узко специального назначения для солёных озёр и озёр морского происхождения ос- нованы на существующих в природе сочетаниях солевых компонентов (ионов) и законо- мерных изменениях этих сочетаний в озёрных условиях. Гидробиологические классификации. Существуют два направления, в рамках ко- торых разрабатываются гидробиологические классификации. Первое направление учи- тывает характеристику озёр по преобладающему распространению в них определённых водных организмов, второе – основано на показателях продукционных свойств водных объектов (трофности). Оценка уровня биологической продуктивности, как главной функциональной ха- рактеристики водоёма, лежит в основе трофической типизации озёрных экосистем. Тро- фический тип водоёма – это интегральная и многомерная характеристика, определяемая множеством взаимосвязанных процессов физической, химической и биологической при- роды. Уровень биологической продуктивности озёр всегда связывается с вполне опреде- лёнными лимнологическими характеристиками того или иного трофического типа, а также характером водосбора, особенностями гидрографической сети, притоком тепла и другими компонентами, объединёнными в единую систему как внутри водоёма, так и в системе «водосбор-озеро». Эта оценка определяет и положение водоёма в эволюционном ряду, и характер структурно-функциональной организации экосистемы, т.е. специфику взаимосвязей слагающих её компонентов и их количественную оценку. В современной лимнологии используется довольно большое число классификаци- онных схем, которые построены на основе показателей, относящихся к различным ком- понентам водных экосистем. Истоки биологической классификации озёр по уровню их продуктивности относятся к 20-30 годам прошлого века и связаны с именами выдаю- щихся лимнологов Тинеманом и Наумовым. Предложив принятую в последствие терми- нологию разделения озёр на олиготрофные, мезотрофные, эвтрофные и дистрофные, ав- торы явились основоположниками трофической типизации озёрных систем. Подчёрки- вая комплексность характеристики трофического типа озёр, они убедительно показали, что уровень биологической продуктивности (трофия) тесно связана с абиотическими факторами среды, географическим положением водоёма и характером водосбора (аль- пийский или балтийский тип). 52

3.3. Классификации экологического состояния воды Классификации качества воды. Термин «качество воды» употребляется в контек- сте определённого аспекта её использования, поэтому не существует универсального и общепринятого подхода к качеству воды. Для каждой формы водопользования – хозяй- ственно-питьевое, коммунально-бытовое и рыбохозяйственное – применяются свои стандарты. Как правило, эти стандарты формируются в виде критических уровней опре- делённого свойства воды, которые не должны быть превышены. Поэтому, например, во- да, которая считается непригодной для питьевых целей, вполне может использоваться для орошения, купания, занятия спортом и нужд промышленности. Нормативы качества водных объектов устанавливаются в форме предельно допу- стимых концентраций вредных веществ (ПДК). ПДК – концентрация вещества в воде, при превышении которой воды становятся непригодными для одного или нескольких видов применения. Величина ПДК – это экспериментально установленное и официально утверждённое максимально допустимое постоянное содержание конкретного вещества в водах водного объекта. Водоём считается загрязнённым, если показатели качества воды изменились в результате антропогенного воздействия и вода стала непригодной хотя бы для одного из видов водопользования или водопотребления. Степень предельно допу- стимого загрязнения воды определяется предельно допустимой нагрузкой, которая зави- сит от вида использования водоёма. В России нормирование качества воды водоёмов осуществляется в зависимости от видов водопользования: хозяйственно-питьевое водопользование – использование водных объектов или их участков в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для во- доснабжения предприятий пищевой промышленности; коммунально-бытовое водопользование – использование водных объектов для ку- пания, занятия спортом и отдыха населения; рыбохозяйственное использование:  высшая категория – места расположения нерестилищ, массового нагула и зимо- вальных ям особо ценных видов рыб и других промысловых водных организмов;  используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладаю- щих высокой чувствительностью к содержанию кислорода;  используемые для других рыбохозяйственных целей. Применение в отечественной практике критерия ПДК и проведение расчётов на ос- нове суммарного индекса загрязнения позволяет оценить ингредиентное (внесённое) за- грязнение озёрных систем и соответствие их видам водопотребления, что можно рас- сматривать как направление классификации вод озёр по их качеству. Однако, качество вод по ПДК не учитывает разный трофический статус озёрных экосистем и сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ. Под трофическим статусом экосистемы понимается уровень продуктивности, в первую очередь, достигаемая величина первичной продукции фитопланктона. В течение почти ста лет принято выделять следующие типы (стадии, уровни) трофического статуса акваторий (в порядке повышения трофности): олиготроф- ные, мезотрофные, эвтрофные, гипертрофные. Выделяют также дистрофные озера, име- ющие низкую продуктивность из-за большого содержания гуминовых кислот. Качество вод озёр можно оценит и с помощью интегральных оценок качества воды (индексов качества воды) [36]. Индексы – это формализованные показатели загрязнён- ности воды, обобщающие более широкие группы показателей, с высокой степенью объ- ективности учитывающие различные стороны оцениваемого водного объекта. Индекс – это величина, являющаяся мерой состояния и изменения главных физических, химиче- ских и биологических компонентов окружающей среды. 53

Как показано Г.Т. Фруминым [64], для представления качества вод в виде единой оценки показатели необходимо выбирать независимо от лимитирующего признака вред- ности, а при равенстве концентраций предпочтение отдавать веществам, имеющим выс- ший токсикологический признак вредности. Качество вод можно определить по стан- дартным гидрометеорологическим измерениям с помощью индекса загрязнения вод (ИЗВ), который рассчитывается по нескольким загрязняющим веществам, концентрация которых наибольшая. Индекс загрязнённости вод J рассчитывается по шести показате- лям: 1 Ci J = ∑6 i=1 , (7) 6 ПДКш где Ci – концентрация i загрязняющего вещества и его ПДКi. Классификация вод по степени загрязнения, оценённой по индексу загрязнения во- ды (ИЗВ), приведена ниже в таблице. Таблица 10 – Классы качества воды в зависимости от величины ИЗВ Характеристика и класс качества воды Величина ИЗВ I – очень чистая ˂ 0,2 II – чистая ˃ 0,2-1 III – умеренно загрязнённая ˃ 1-2 IV – загрязнённая ˃ 2-4 V – грязная ˃ 4-6 VI – очень грязная ˃ 6-10 VII – чрезвычайно грязная ˃ 10 Рассмотренные классификации качества воды, с позиции пригодности для исполь- зования и экологического благополучия, в настоящее время широко применяются. В первом случае вводятся желательные и допустимые величины показателей каче- ства воды, используемых для различных целей: хозяйственно-питьевое, коммунально- бытовое и рыбохозяйственное. Предусмотрены три степени качества вод: вода пригодна, вода допустима при соответствующих методах обработки и вода непригодна. При всех недостатках метод имеет явное преимущество – возможность оперативной оценки состо- яния воды в водоёмах; административно (юридически) закреплённая норма определения степени ответственности за состояние воды и введение ограничений на её потребление. Во втором случае на основе ИЗВ вводятся классы качества воды. Показатели каче- ства вод объединяются в однородные группы: общефизические показатели и показатели неорганических веществ, общие показатели органических веществ, показатели неорга- нических промышленных загрязняющих веществ, показатели органических промышлен- ных загрязняющих веществ, биологические показатели. Недостатком метода является использование математической свёртки при определении индекса загрязнённости воды, что обычно снижает чувствительность методов на основе подобных показателей. С появлением современных информационных и вычислительных средств появи- лась возможность оперировать с огромными объёмами экспериментальных данных о со- стоянии озёрных систем регионов, выполнять комплексную оценку качества воды по со- вокупности физико-химических и биологических параметров. Например, для классификации водных объектов Карелии использовались следую- щие характеристики [14,33]: 1. Минерализация, электропроводность и ионный состав воды (Са2+, Mg2+, Na+, K+, HCO3-, SO42-, Cl-, R-COO-). 2. Органические вещества (цветность, ПО, Сорг., БПК5). 3. Биогенные элементы (Рмин., Робщ., NH4+, NO2-, Nорг.). 54

4. Микроэлементы (Fe, Mn, Si, F). 5. Хлорофилл (α). 6. Загрязняющие и токсические вещества. Содержание в воде биогенных элементов – очень важный лимнологический пока- затель. От их количества в значительной степени зависит продукция в водоёме и опреде- ляется его трофический статус. В естественных условиях уровень трофии может изме- няться от олиго (низко продуктивных) до мезо (высоко продуктивных). Для водных объектов Карелии рассматривались особенности воды, отражающие её природное качество, трофическое состояние водоёмов и загрязнение с учётом нормати- вов по использованию воды для питьевого водоснабжения и рыбохозяйственных целей. С учётом этого было выделено несколько классов вод разного качества: высокое, хоро- шее, удовлетворительное, низкое и загрязнённые воды. Разработана ГИС-карта качества поверхностных вод Республики Карелия. Рисунок 16 – Карта качества по- верхностных вод Республики Карелия , 2006 год, сайт Карель- ского научного центра РАН К категории высокого качества были отнесены все воды с цветностью до 40 град., олиготрофные (Робщ ˂ 12 мкг/л, хлорофилл α ˂ 3 мкг/л), с содержанием Fe ˂ 0,2 мг/л, pH – 6,5-8,0 и с насыщением кислородом 80-105%. При соблюдении этих параметров озе- ро считается чистым с высокой прозрачностью, водоросли не ограничивают использова- ние воды для всех форм пользования. К категории хорошего качества отнесены воды с цветностью 30-120 град., оли- готрофные и мезотрофные (Робщ – 8-25 мкг/л, хлорофилл α – до 10 мкг/л), pH – 6,2-8,5, содержание Fe – 0,1-0,5 мг/л (возможно до 0,75 мг/л при условии низкого содержания Робщ и цветности менее 120 град.), насыщение кислородом на 60-120 %. Водоём почти в естественном состоянии, с высокой прозрачностью вод, очень слабо эвтрофированный, его воды пригодны для всех форм использования. 55

К удовлетворительному качеству отнесены все водные объекты с pH – 5,5-6,2, а также эвтрофные (Робщ – 30-50 мкг/л, хлорофилл α – 10-30 мкг/л), независимо от осталь- ных показателей, и полигумозные с pH ˃ 6,5, с содержанием Fe – 0,5-1,5 мг/л и цветно- стью до 200 град. Водоём слабо этрофирован в результате поступления сточных вод, рассредоточенной нагрузки загрязняющими веществами и другого антропогенного воз- действия. Отмечается заметное уменьшение прозрачности, влияние водорослей на ухудшение качества вод. Содержание вредных веществ в воде, донных отложениях или бентосных организмах может несколько превышать фоновые природные концентрации. Водоём подходит для различных целей использования с определёнными ограничениями. К низкому качеству вод отнесены все водные объекты с кислой реакцией (pH ˂ 5,5), независимо от остальных показателей, полигумозные с pH ˃ 6,5, содержанием железа более 0,7 мг/л, а также высоко этрофные для Карелии озёра (Робщ ˃ 40 мкг/л, хло- рофилл ˃ 30 мкг/л). Водоём слабо этрофирован, заметно влияние сточных вод, малая прозрачность, ухудшаются органолептические свойства. Концентрация вредных веществ в воде, донных отложениях и зообентосе существенно превышает фоновые значения. В водоёмах с глинистым грунтом в литоральной зоне pH воды могут быть очень низкими в течение значительного периода времени, в результате чего периодически наблюдается повышенная смертность рыб при закислении. Водоём подходит для использования толь- ко тогда, когда имеются низкие требования к качеству воды. К загрязнённым причислены водные объекты (или участки), являющиеся приёмни- ками сточных вод. Для этих водоёмов характерно превышение показателей (Р общ, БПК, нефтепродуктов, К, Li, тяжёлых металлов и др.) по сравнению с фоновыми значениями. Водный бассейн испорчен сточными водами и загрязнением. Водоросли часто препят- ствуют использованию воды для разных целей. Из-за эвтрофирования кислородный ре- жим может быть нестабильным. Концентрация вредных веществ в воде, донных отложе- ниях и зообентосе может достигать такого уровня, когда появляется реальная опасность для экосистем и использования воды человеком. Использование такой воды существенно ограничено для всех видов водопользования. Представленная общая экологическая классификация качества вод построена на системном принципе. Это означает, что показатели состава и свойств воды, характери- зующие её природные качества, рассматриваются как индикаторы структурно - функци- онального состояния водных экосистем. Большинство этих показателей характеризует не только качество воды, но одновременно и трофность водных объектов. Поэтому пять классов качества воды этой классификации могут ориентировочно характеризовать и уровни трофии озёр. Классификации трофического статуса. Каждый водоём – это биотоп [от греч. βίος - жизнь и τόπος - место], определяющий относительно однородный по абиотическим факторам среды участок геопространства, занятый определённым биоценозом. Большое разнообразие озёр по величине и глубине, по тепловому режиму и химическому составу водной массы, по связи с реками и водному балансу создаёт пестроту экологических условий существования живых организмов. Однако характер флоры и фауны озёр нельзя объяснить только их экологией – она проявляется на фоне развития растительного и жи- вотного мира [69]. Поскольку озёра существуют геологически недолго, воздействие экологических условий ограничивается изменчивостью формы, которая наследственно не закрепляется; видообразование идет медленно. Озёр с эндемичной (свойственной определённой гео- графической местности) фауной мало. Уникальны в этом отношении озёра Байкал, Тан- ганьика и Охридское, существующие с миоцена и обладающие специфическими чертами природы. Изоляция их от других водоёмов и особые экологические условия в течение длительного времени привели к образованию новых видов животного мира. Из 1200 ви- дов, обитающих в Байкале, 3/4 эндемичны. 56

Биотоп каждого озера связан с природой географической зоны, в которой оно находится. Выделяются зоны озёр с жизненным оптимумом (большим участием жизни) и с жизненным пессимумом (малым участием жизни). К последним озёра относятся хо- лодные озёра ледовых зон, солёные озёра аридных регионов, временные и пересыхаю- щие водоёмы тропических стран и, наконец, дистрофные глухие озерки таёжного пояса. Как и в морях, в озёрах выделяют три экологические области: литораль – прибре- жье; профундаль – глубоководная часть и пелагиаль – водная масса вдали от берегов и дна. Органический мир озёр состоит из планктона – совокупности пассивно переноси- мых течениями водорослей и животных, бентоса – животных и растений, обитающих на поверхности и в грунте литорали и дна, и нектона – активно плавающих водных живот- ных, преимущественно рыб. Литораль распространяется вниз до глубины проникновения света, обычно до 20 метров, но колеблется в пределах от 10 до 30 метров в зависимости от прозрачности во- ды. В соответствии с нарастанием глубины растительность размещается полосами. Про- фундаль, или глубоководная часть, простирается глубже границы проникновения света и распространения зеленой растительности. Для неё характерна также низкая (около 40С) и равномерная температура. Профундаль свойственна наиболее глубоким озерам. Типич- ных профундальных форм животных крайне мало; они есть только в Байкале. В пелагиа- ли обитают фитоплактон, зоопланктон и нектон. Отмершие организмы всех биотопов, а также материал, сносимый в озеро, откла- дываются на дне и образуют гиттию [от швед. gyttia - иловая грязь] – озерно-болотный или лагунный ил, состоящий из остатков микроорганизмов и экскрементов животных с примесью минеральных веществ (преобладают окислы железа). Постепенно уплотняясь и смешиваясь с неорганическими осадками, гиттия переходит в сапропель, богатый пи- тательными веществами, которые использует бентос. Например, в озере Неро слой са- пропеля достигает 20 м. Озеро Неро (Ростовское озеро) – пресно- водное озеро на юго-западе Ярославской об- ласти, одно из немногих озёр предледниково- го периода в центральной России. Площадь озера – 51,7 км2, длина – 13 км, ширина – 8 км, глубина – 3,6 км. Дно покрыто толстым слоем сапропеля. Питание смешанное, с пре- обладанием снегового. Озеру по некоторым оценкам приблизительно 500 тысяч лет. По обилию питательных веществ озёра бывают эвтрофными, олиготрофными, ме- зотрофными и дистрофными [от греч. еu - хороший, ὀλίγος - незначительный, μέσος – средний, dys - расстроенный, τροφή – питание]. Ультрапресная вода хорошо проточных озёр не может содержать питательные вещества в изобилии, поэтому озёра зон резко из- быточного увлажнения таёжной и тундровой зон – олиготрофы. Глухие озёра этих же зон с поверхностным и грунтовым стоком получают много гумуса, но при обилии суль- фатов он не разлагается до питательных солей, и озёра дистрофные. Органические вещества до фосфатов и нитратов успешно разлагаются при наличии в воде СаСО3. Кальций в озера проникает с речным и подземным стоком, а содержание его в почве определяется водным балансом зоны, поэтому кальций может содержаться только при умеренном увлажнении, а при избыточном – выносится. Линия, к югу от ко- торой кальция становится достаточно, проходит близ южной границы тайги. Эвтрофные озера могут быть только южнее её. В аридных зонах из почвы не вымываются даже хло- риды и озёра не могут быть эвтрофными, уже в связи с солёностью. Таким образом, пи- тательность озёрной воды является величиной зональной и может быть сопоставлена с плодородием почвы. 57

Эвтрофные озёра обладают хорошими условиями питания и жизни растений и животных. Минерали- зация в них гидрокарбонатная и карбонатная, со- держание солей кальция и магния до 70 мг/л, реак- ция щелочная – 7,5-9. Органические вещества разла- гаются до усваиваемых растениями фосфатов и нит- ратов. Органический мир богат. Эвтрофные озера распространены в экваториальной и саванновой зо- нах жаркого пояса, в смешанных лесах и лесостепях умеренного климата. Высокопродуктивно Каспий- ское море-озеро. Олиготрофные озёра преимущественно с суль- фатной, а также гидрокарбонатной реакцией, бедны минеральными и органическими веществами, вода чистая и прозрачная, слой ила небольшой. Это «ма- локормные» озера с бедным органическим миром, рыбы в них мало. Олиготрофные озёра находятся в зоне промытых сильно оподзоленных почв, бед- ных питательными веществами. Типичным олиготрофным можно считать Таймырское озеро. Олиготрофны также большие озёра в скалистых ложах – Байкал, Ладожское, Онежское и северные Канадские. Олиготрофны и высокогорные озера. Мезотрофные озёра характерны для таёжной зоны (обычно средние и небольшие) с подзолистыми почвами, обладают средними питательными ресурсами. Дистрофные озёра бедны солями кальция и магния (меньше 24 мг/л), в них преоб- ладают сульфаты. Реакция воды кислая, рН = 6-7. Это обычно небольшие болотные озё- ра таёжной зоны. В их воде много принесённого болотными ручьями и речками торфя- ного дитрита – гумуса в коллоидном состоянии. При кислой реакции он не разлагается, а плавает в воде, придавая ей черный цвет, и откладывается на дне в виде торфяного ила. В связи с его гниением образуется дефицит кислорода. Такие озёра бедны планктоном и высшей растительностью, скуден животный мир и мало рыбы. Эволюция озёрных котловин может быть разделена на три стадии: прогрессивную (юности), оптимальную (зрелости) и регрессивную (старости). В стадии юности котло- вина, созданная геолого - геоморфологическими процессами, обрабатывается водной массой; формируются берега, откладываются донные наносы, идут различные химиче- ские процессы. В стадии зрелости котловина уже сформирована, количество илов и био- массы оптимально. В стадии регрессии котловина засыпается и зарастает, химические реакции воды с илами и растительными остатками ухудшают газовый режим. Эта стадия заканчивается заболачиванием. Плодородие воды и условия питания изменяются парал- лельно общему развитию озера. На первой стадии оно олиготрофно, на второй становит- ся эвтрофным, на третьей, в связи с ухудшением химизма и газового режима воды, озеро становится дистрофным. Дистрофные озера, поскольку органический мир их беден, за- болачиваются способом нарастания. На зеркало озера распространяется с берегов мохо- вой покров, образующий сплавину. В работе Хендерсона-Селлерса и Маркланда [66] показано, что разделение озёр на олиготрофные, эвтрофные и мезотрофные является субъективным и относительным, так как разные специалисты по-разному классифицируют водоёмы. Например, озеро Верх- нее в Северной Америке обычно считают олиготрофным, а Эри – эвтрофным, и даже в своё время считали гипертрофным, однако по европейским стандартам это озеро может быть отнесено к мезотрофным. Всё дело в том, что озёра, которые могут быть классифи- цированы как эвтрофные по категории фосфора, из-за ограничений первичной продук- ции, определяемой по концентрации хлорофилла, должны быть отнесены к мезотроф- ным. 58

Опыт исследования учёных разных стран показал, что могут быть приняты следу- ющие критерии эвтрофирования озёр: увеличение концентрации биогенных веществ; последовательная смена популяции водорослей с преобладанием сине-зелёных или зелёных водорослей; уменьшение концентрации растворённого кислорода в гиполимпионе; увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического вещества; уменьшение проникновения света (при увеличении мутности воды); увеличение концентрации фосфора в донных отложениях. Приведём пример градации трофического состояния озёр, предложенной в работе Хендерсона-Селлерса и Маркланда. Таблица 11 – Категории трофического состояния озёр Концентрация Глубина Среднее хлорофилла, видимости Трофическое поступление среднее диска Секки, состояние фосфора, 3 значение, среднее мг/м 3 мг/м , значение, м Ультраолиготрофное ≤ 4,0 ≤ 1,0 ˃ 12,0 Олиготрофное ≤ 10,0 ≤ 2,5 ˃ 6,0 Мезотрофное 10-35 2,5-8,0 3-6 Эвтрофное 35-100 8-25 1,5-3 Гипертрофное ˃ 100 ≥ 25 ˂ 1,5 Отметим, что приведённые в таблице градации для различных озёр не являются жёсткими. Эти данные могут быть полезными ориентирами для специалистов. Существуют и другие варианты классификации озёр, основанные на моно и поли- показательных схемах. И.В. Баранов предложил регионально-зональную классификацию, включающую 21 лимнологический тип озёр. Он использовал следующие классификационные признаки: тип ложа и глубину, характер термической стратификации, тип круговорота биогенных веществ, физико-химические особенности вод, интенсивность развития водорослей, осреднённые показатели зообентоса и виды населяющих озеро промысловых рыб. О.Ф. Якушко создала классификацию озёр Беларуси, которой объединены и увяза- ны показатели морфометрии котловин и внешнего водообмена, основные данные о водо- сборе, характеристика отложений и гидрохимические показатели озёр. Ландшафтный подход был использован Г.Г. Муравлёвым при разработке класси- фикации озёр аридной зоны. A.Г. Поползин в основу классификации заложил зональность типов озёр и предло- жил характеризовать водоёмы следующими основными факторами: гидрологические процессы и явления, сопряжённые с климатом; химический состав воды, связанный с зо- нальным солевым и органическим накоплением. Особенности озёрного накопления, как единого типологического показателя, пред- ложил использовать Л.Л. Россолимо, однако из-за слабой изученности процессов осад- конакопления данная типология не нашла широкого применения. B.В. Богданов предложил классификацию озёр, базирующуюся на анализе роли терригенных и лимнологических факторов в формировании лимногенеза. Он различал пять типов озёр: литоральный; литорально-профундальный; профундально- литоральный; профундальный; батиально-профундальный. Эти типы близки с введён- ными типами озёр С.П. Китаевым. 59

4. Динамика озёрных вод Динамика вод озёр определяется глобальными процессами, происходящими в гид- рометеорологической системе Земли, локальными процессами водообмена озёр с окру- жающей их природной средой, течениями и другими перемещениями водных масс. 4.1. Глобальный гидрологический цикл Гидросфера представляет собой совокупность вод Земного шара в их жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Вся гидросфера рассматривается современной наукой в виде вод Мирового океана, суши (внутренние воды), атмосферы и воды в со- ставе живых организмов. Физические свойства воды и радиация Солнца вызывают кру- говорот воды на Земле – глобальный гидрологический цикл – непрерывный процесс циркуляции воды на Земле, в котором участвуют все воды гидросферы. Глобальный гидрологический цикл является условно замкнутым, так как через рифтовые трещины идёт дополнительный приток воды из недр планеты, увеличивающий объём гидросферы, а часть паров воды, попадая в верхние слои атмосферы под действи- ем солнечного излучения, разлагается на водород и кислород и уходит в космос. По су- ществующим оценкам невязка водного баланса Земли за год составляет около 610 км 3 воды. Основной объёмный состав гидросферы в количественном отношении, бесспорно, составляет Мировой океан, на который приходится 1338000 тыс. км3 или 96,4% всей во- ды на Земле. На суше находится 49675 тыс. км3 или около 3,6 % воды планеты в виде снега и ледников, рек, озёр, водохранилищ, болот и подземных вод. Практически 90% всей воды атмосферы сконцентрировано в нижней части тропосфера на высоте до 5 км. Всего же здесь находится 13 тыс. км3 воды или 0,001 %. В организмах её и того меньше – около 0,0001 % от воды на Земле или около 1 тыс. км3. Рисунок 17 – Характеристики глобального гидрологического цикл Земли [47]: объёмный состав гидросферы и активность водообмена, тыс. км3/время; средний годовой водный баланс – тыс. км3 60

Анализируя объёмный состав гидросферы, нельзя ограничиваться одной количе- ственной стороной. При оценке компонентных частей гидросферы учитывают её актив- ность в глобальном гидрологическом цикле. С этой целью введено понятие активности водообмена, которое выражается числом лет необходимым для полного возобновления объёма воды. Например, для вод Мирового океана период активности определяется пол- ной сменой вод за счёт испарения. В полярных ледниках, которые питаются атмосфер- ной влагой, а сами, подобно рекам, стекают в океан, выбрасывая в него айсберги, смена льда происходит примерно за 10 тысяч лет. Количественной характеристикой глобального гидрологического цикла является водный баланс Земли – соотношение, связывающее количество воды, поступающей на поверхность планеты в виде осадков, и количество воды, испаряющейся с поверхности суши и Мирового океана за определенный период времени. Водный баланс Земли с учётом имевшихся данных впервые был вычислен в 1905 году немецким географом и климатологом Эдуардом Брикнером (29.7.1862-20.5.1927). Эти данные с каждым годом становятся всё более точными и достоверными. Тем не ме- нее, для повышения надёжности расчёта нужно дополнительно изучать много элементов водного баланса. Например, очень слабо изучен сток подземных вод непосредственно в океан, минуя реки, плохо изучены атмосферные осадки в океане. Численно водный баланс Земли – это равенство между количеством воды, посту- пающей на поверхность земного шара в виде осадков и количеством воды, испаряющей- ся с поверхности Мирового океана и суши за одинаковый период времени. В среднем годовое количество осадков, так же как и испарение, равно 1132 мм, что в объёмных единицах составляет 577060 км3 воды. Различают несколько видов глобального гидрологического цикл Земли: большой, или мировой круговорот – водяной пар, образовавшийся над поверхно- стью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяет качество воды; при испаре- нии солёная морская вода превращается в пресную, а загрязнённая – очищается; малый, или океанический круговорот – водяной пар, образовавшийся над поверх- ностью океана, конденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан; внутриконтинентальный круговорот – вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадает на сушу в виде атмосферных осадков. Глобальный гидрологический цикл Земли не рассматривает процессы циркуляции океаносферы в виде течений Мирового океана, а связан, прежде всего, с рассмотрением глобальных физических процессов испарения, конденсации и выпадения осадков в гид- рометеорологической системе Земли. Для общей характеристики энергетических тепловых потоков рассмотрим энерге- тику процесса испарения воды с поверхности Мирового океана и суши, объём которой определяется в год величиной в 577060 км3 воды. Образования водяного пара из данного количества воды в год требуется затраты около 1024 Дж тепловой энергии, что соответ- ствует энергии, которая получилась бы от взрыва 4000000 термоядерных бомб мощно- стью в 58 мегатонн типа АН602. 30 октября 1961 года на полигоне острова Новая Земля была взорвана самая боль- шая в мире термоядерная бомба АН602 (она же «Царь-бомба», она же «Кузькина мать»), которая по разным данным обладала мощностью взрывного устройства от 57 до 58,6 ме- гатонн. Полная энергия, выделенной взрывом бомбы, оценивалась в 2,4×1017 Дж. Столь огромное количество тепловой энергии с испарениями (около 1024 Дж в год) распределяется в нижней атмосфере в соответствии со сложившимися закономерностями протекания процессов общей и местной циркуляции атмосферы Земли. При этом Миро- вой океан, несомненно, доминирует над сушей. Озёра занимают скромное место в глобальном гидрологическом цикле, входя в процессы большого и внутриконтинентального круговорота. При этом среди поверх- 61

ностных вод озёра по суммарному объёму на порядок превосходят суммарный объём вод водохранилищ, рек и болот. Являясь открытыми динамическими системами, озёра взаи- модействуют с внешней средой в виде атмосферы – атмосферные осадки и испарения суши, подземных вод – естественный приток и сток, реками – естественный приток и сток, а также техногенными объектами, обеспечивая потребности человека в воде. Со- стояние процесса взаимодействия озёр с внешней средой определяет их водный баланс. 4.2. Водный баланс озера Водная масса озера непрерывно изменяется в связи с меняющимся соотношением между приходом воды в озеро и расходом из него. Приход воды в озеро слагается из вод поверхностного и подземного притоков, атмосферных осадков, выпадающих на зеркало озера, и конденсации на нём водяных паров из воздуха; расход воды – из испарения с поверхности озера, поверхностного и подземного стока из него. Совокупное рассмотре- ние всех процессов, влияющих на изменение водной массы озера, объединяется поняти- ем «водный баланс». В соответствии с этим понятием приход воды в озеро и расход во- ды из него должны в сумме равняться увеличению или уменьшению запаса воды в озере. Таким образом, понятие «водный баланс» есть частная формулировка одного из основ- ных физических законов – закона сохранения вещества. Весь водооборот совершается в озере в течение некоторого промежутка времени Δt (год, месяц, в среднем за несколько лет и т.д.). Рисунок 18 – Структура водного баланса озера Уравнение водного баланса записывается в виде алгебраической суммы основных элементов прихода - расхода воды озера в объёмных единицах (км3) Vпе + Vпа + Vг+ + Vао + Vкп − Vпе − Vпа − Vг− − Vип = ΔV, + + + + − − − (8) + где Vпе – приток воды в озеро поверхностный естественного происхождения (сток рек, ручьёв, боковой, оврагов и пр.); + Vпа – приток воды в озеро поверхностный антропогенного происхождения (сброс от- работанных вод, например, возвратных вод орошения, а также промышленно- сти и коммунальных сточных вод); 62

Vг+ – приток в озеро подземных вод; + Vао – приток воды в озеро из атмосферы в виде осадков (дождь, снег и пр.); + Vкп – приток воды в озеро из атмосферы посредством конденсации водяного пара; − Vпе – отток воды из озера поверхностный естественного происхождения (сток посредством рек и пр.); − Vпа– отток воды из озера поверхностный антропогенный (забор воды в интересах орошения, промышленности, коммунального хозяйства и пр.); − Vг – отток воды из озера подземный; − Vип – отток воды из озера посредством поверхностного испарения. Уравнение водного баланса может быть выражено в виде слоя на водную поверх- ность (см, м): h+ + h+ + h+ + h+ + h+ − h− − h− − h− − h− = Δh, пе па г ао кп пе па г ип (9) где h+ – приток воды в озеро поверхностный естественного происхождения (сток рек, пе ручьёв и пр.); + hпа – приток воды в озеро поверхностный антропогенного происхождения (сброс отработанных вод, например, возвратных вод орошения, а также промышленности и коммунальных сточных вод); + hг – приток в озеро подземных вод; h+ – приток воды в озеро из атмосферы в виде осадков (дождь, снег и пр.); ао h+ – приток воды в озеро из атмосферы посредством конденсации водяного пара; кп h− – отток воды из озера поверхностный естественного происхождения пе (сток посредством рек и пр.); − hпа – отток воды из озера поверхностный антропогенный (забор воды в интересах орошения, промышленности, коммунального хозяйства и пр.); − hг – отток воды из озера подземный; h− – отток воды из озера посредством поверхностного испарения. ип Величины объёмов и высоты слоя воды в уравнениях взяты по модулю, а отрица- тельный вклад оттока отмечен знаком в уравнении. Представление величин ΔV и Δh на рисунке со знаками сделано только в иллю- стративном варианте. На самом деле эти величины могут быть как положительными – приток преобладает, так и отрицательными – преобладает отток воды. Величины ΔV и Δh – относительные изменения объёма и слоя на водную поверх- ность, связаны выражением ΔV Δh = · 105 , (10) Fоз где Fоз, км2 – площадь озера; ΔV, км3 – относительные изменения объёма озера; Δh, см – относительные изменения слоя на водную поверхность. Уравнения водного баланса озера представляют простую запись уравновешиваю- щих друг друга приходно - расходных частей водного баланса за заданный промежуток времени Δt. При кажущейся простоте уравнения водного баланса его составление является весьма сложным процессом, требующим учёта многих природных и антропогенных фак- торов, особенностей эндогенных, морфологических и морфометрических характеристик озёр и т.д. Например, в результате погодных изменений – засухи и проливные дожди, 63

сезонных изменений – особенности водного режима региона от времён года, климатиче- ских изменений – вековые колебания уровня озёр, меняются не только приходно- расходные составляющие уравнения водного баланса, но и площади озёр. В свою оче- редь изменения площади озёр влияют на их взаимодействие с гидрометеорологической системой Земли и на их энергетический баланс. Значение аддитивных членов уравнения водного баланса различно. Некоторые из них иногда настолько незначительны, что ими можно пренебречь. Например, в боль- шинстве случаев оказывается возможным пренебречь такими членами, как подземный приток и подземный отток. Основную роль в водном балансе озёр обычно выполняют поверхностный естественный приток и отток, атмосферные осадки на зеркало озера и испарения с его поверхности. По структуре водного баланса – соотношение между приходными и расходными составляющими уравнения – озёра подразделяются на две основные категории: бессточ- ные и сточные. Бессточные озёра не имеют ни поверхностного естественного, ни подземного грун- тового стока и теряют воду практически только за счёт испарения. Особую группу бес- сточных озёр образуют так называемые «глухие озёра» – небольшие озерки на плоских заболоченных водоразделах, преимущественно лесной зоны, питающиеся атмосферными осадками на зеркало и водный бассейн. Сточные озёра имеют помимо испарения поверхностный естественный и/или под- земный грунтовой стоки. Среди сточных озёр выделяются проточные озёра, в которых сток составляет значительную долю объёма полной водной массы. В них обычно замет- но течение, связанное с режимами впадающих и вытекающих рек. Озёра с переменным стоком занимают промежуточное положение между обеими группами. Они дают сток только в период высокой воды, а в межень вытекающие из них водотоки пересыхают. При расчётах составляющих водного баланса озёр в основном используют данные измерений со станций и постов гидрометеорологической сети. Время, за которое произ- водится расчёт элементов водного баланса, в основном лимитируется рядом наблюдений над уровнем воды, необходимым для расчёта изменений запаса воды в озере. Остальные элементы водного баланса, если они имеются не за весь ряд, с той или иной степенью точности могут быть восстановлены. Поверхностный приток озера слагается из речного стока, стока временных водо- токов (логов, балок, оврагов) и склонового стока, происходящего с частей бассейна, не имеющих четко выраженной гидрографической сети. Сток временных водотоков и скло- новый сток имеют место только в период снеготаяния и выпадения интенсивных и про- должительных дождей. В озеро Ильмень впадают 52 реки, в том числе такие крупные, как Мста, Шелонь и Ловать. Озеро «дышащее». В зависимости от сезона площадь озера колеблется от 770 до 2096 км2, а объём воды – от 1500 до 11647 млн. м3, глубина – от 3 до 10 метров. Таким образом, площадь водного зеркала изменяет- ся более чем в 2 раза, а объём воды – более чем в 7 раз. Поступающая в котловину Иль- меня вода обновляется в течение года 6 раз. Для сравнения: Ладожскому озеру для смены воды требуется 12 лет. Из перечисленных видов поверхностного притока обычно только речной сток под- вергается систематическому учёту на существующей сети гидрометеорологических 64

станций, сток же временных водотоков учитывается значительно реже, а учёт склоново- го стока и вовсе не ведётся. Поэтому даже в самом идеальном случае, когда учитывается сток всех впадающих в озеро рек, всё же остаются участки бассейна, не охваченные непосредственным учётом. К таким участкам обычно относятся части бассейна распо- ложенные между устьями рек – межустьевые участки и так называемые бессточные участки, которые в силу особенностей рельефа и геологии не имеют гидрографической сети и лишь частично дренируются временными водотоками. Практически учёт стока ведётся не на всех притоках озера, а лишь на части их и обычно не в самих устьях рек, а в некотором отдалении от них, вне сферы подпора озёр- ными водами. В частности, на реках, имеющих дельты, учёт стока производится обычно в пунктах, расположенных у основания дельты, т.е. выше разветвления реки на рукава. Таким образом, задача определения величины поверхностного притока в озеро сводится к расчёту стока с неизученных участков его бассейна. Эта задача решается с помощью общепринятых на практике методов расчётов стока, излагаемых в соответствующих ру- ководствах. При расчёте поверхностного притока следует иметь в виду, что в районах развития ирригации, прудового хозяйства и др. все используемые в расчётах стока по- строения (карты, графики и пр.) должны быть выполнены по данным восстановленного естественного стока, а величины поверхностного притока в озеро рассчитаны с учётом фактического водозабора в пределах его бассейна. Норма поверхностного притока с неизученных участков бассейна может быть определена приближённо с помощью следующих методов: по карте среднего годового стока, по связи среднего годового стока с высотой местности и по аналогии с соседними изученными реками. Мощным оружием лимнологов при решении сформулированной задачи выступают методы, основанные на результатах дистанционного зондирования из космоса и обеспечивающие охват огромных территорий бассейнов озёр. Понятно, что чем выше процент охвата поверхностного притока непосредственны- ми измерениями, тем меньше ошибки в определении его суммарной величины. Практи- чески удовлетворительные результаты получаются обычно в тех случаях, когда непо- средственными измерениями охватывается не менее половины (желательно 70-80%) об- щего поверхностного притока в озеро [25]. Подземный приток в озеро слагается из подземных вод его бассейна, непосред- ственно дренируемых озером. Количество этих вод по сравнению с количеством подзем- ных вод, дренируемых речной сетью бассейна и выносимых в озеро поверхностным пу- тем, обычно незначительно. В состав подземного притока входят грунтовые, напорные и аллювиальные воды. Грунтовые воды приурочены к межустьевым и бессточным участкам. Они выходят здесь на самом урезе воды и часто прослеживаются в виде местной заболоченной поло- сы, тянущейся вдоль берега. Напорные воды находят себе выход на дне озера в виде ключей в том случае, когда выстилающие дно грунты маломощны и в силу своей крупнозернистости легко водопро- ницаемы. Такого рода грунты, как известно, свойственны прибрежной области, где воз- можны выходы ключей. Что же касается глубинной области, то там при обычно мощных и водоупорных толщах грунта ожидать выхода напорных вод оснований не имеется. Напорные воды в этом случае находят себе выход где-либо в прибрежной области или выше линии уреза воды на берегу. Темпы движения и разгрузки напорных вод медлен- нее, чем грунтовых вод, обычно в тысячу раз, но объём стока их в водоёмы может быть значительным в крупных бассейнах. Аллювиальные воды обычно выходят в устья впадающих в озеро рек. Они особен- но обильны в горных регионах, где русла рек выполнены мощной толщей крупнозерни- стого аллювия. Непосредственное определение подземного притока в озеро требует проведения обширных и дорогостоящих гидрогеологических исследований, сопровождаемых орга- 65

низацией стационарных наблюдений за подземными водами. Ввиду большой затрудни- тельности такого рода исследований обычно останавливаются на приближённом реше- нии задачи – производство расчётов, исходя из гидрогеологических условий в прибреж- ных районах озера, устанавливаемых путем рекогносцировки. Атмосферные осадки выпадают на территории России крайне неравномерно, что связано с большим числом климатических зон, определяемых законом географической зональности. Отдельные регионы подвержены мощной сезонной деятельности циклонов (например, Дальний Восток и Камчатка), которая не поддаётся долгосрочным метеоро- логическим прогнозам. Рисунок 19 – Среднегодовое распределение осадков в пределах России, мм / год При составлении высокоточного водного баланса озёр приток воды из атмосферы в виде осадков оценить весьма сложно по ряду причин. Для этого требуется привлечение островных, береговых и прибрежных гидрометеорологических станций; наличие мето- дик учёта количества осадков в жидком и твёрдом состоянии и особенностей их выпаде- ния в условиях движения воздушных масс над озёрами; наличие объективных данных неравномерности выпадения осадков на акватории озёр (особенно больших озёр) и т.д. К сожалению, даже космические гидрометеорологические системы не могут в полной мере обеспечить подобные запросы: низкоорбитальные космические аппараты (КА) при всей потенциальной возможности позволяют получать данные об атмосферных осадках с пе- риодичность несколько часов, что требует развёртывания орбитальных группировок, а геостационарные КА из-за высоты орбиты могут представить данные обзорного типа. Испарение с поверхности озёр крайне неравномерно, что связано большим числом климатических зон, определяемых законом географической зональности. Годовая испа- ряемость на равнинах России колеблется от 150-200 мм в сибирских провинциях тундры до 1000 мм в полупустынях и пустынях Прикаспийской низменности. В тайге наиболее характерные величины испаряемости составляют 450-500 мм, в смешанных лесах – 600- 700 мм, в степях – 800-900 мм. 66

Рисунок 20 – Распределение фактического испарения с поверхности суши в пределах России, мм/год Рассматривая распределение фактического испарения с поверхности суши в преде- лах России, следует отметить, что его значения возрастают от северных к южным широ- там. Так например, средний годовой слой испарения в пределах арктических пустынь составляет лишь 100-150 мм, в то время как в центральных и центрально-черноземных областях, а также в Краснодарском крае он достигает 400-500 мм. В Центральной и Во- сточной Сибири испарение меньше, чем на тех же широтах Русской равнины. Это обу- словлено влиянием вечной мерзлоты, меньшим количеством атмосферных осадков, гор- ным характером и общим значительным повышением высот отметок местности. Сниже- ние величины испарения к северу от зоны смешанных лесов связано с уменьшением ко- личества тепла, а к югу с недостатком осадков. Подземный сток (фильтрация) из озера может осуществляться через коренные по- роды котловины, различного рода рыхлые (песок, галька) и твёрдые (трещиноватые ла- вы) породы, слагающие перемычки у плотинных котловин. Фильтрация в подавляющем большинстве оказывается возможной только в сравнительно неширокой прибрежной об- ласти, где выстилающие коренные породы котловины, донные отложения обычно мало- мощны и в силу своей крупнозернистости сравнительно легко водопроницаемы. Фильтрация воды из озера может происходить лишь в том случае, если существуют пути утечки воды за пределы котловины. Прежде всего, такая утечка может совершаться через водопроводящие породы водораздела в соседнее дренирующее понижение (озеро, реку и др.). Возможен отток воды в более глубокие слои, если с ними существует связь через проницаемые породы, например в артезианские водоносные слои, когда озеро рас- полагается в области питания последних. Особо благоприятные условия для утечки воды представляют карстовые пути. Утечки в районах распространения карста могут быть очень велики. 67

Фильтрация воды из озёр через перемычки плотинных котловин распространена довольно широко. Она наблюдается, например, на озёрах Сарезское, Севан и Могильное, на некоторых лиманах Азово-Черноморского побережья и др. На водохранилищах фильтрация воды в обход подпорных сооружений и под ними представ- ляет обычное явление. Какие-либо универсаль- ные приемы расчёта величины фильтрации из озёр отсутствуют, в каждом отдельном случае задача решается в зависимости от местных гидрогеологических условий. Непосредственное определение величины фильтрации из озера, так же как и под- земного притока в него, требует в большинстве случаев проведения обширных и дорого- стоящих гидрогеологических исследований. Поэтому обычно останавливаются на при- ближённом решении задачи – производство расчётов исходя из гидрогеологических условий, устанавливаемых путем рекогносцировки местности. Отток воды из озера поверхностный антропогенный. Водопотребление повсюду быстро растёт, но не только из-за увеличения численности населения, а также вследствие урбанизации (процесс повышения роли городов в развитии общества), индустриализа- ции и, особенно, развития сельскохозяйственного производства, в частности орошаемого земледелия. К началу тысячелетия суточное мировое потребление воды достигло 26540 млрд. л, или 4280 л на человека. 72% от этого объёма расходуется на орошение, а 17,5% – на промышленные нужды. Земледелие – самый крупный потребитель воды. В Египте, где почти не бывает дождей, всё земледелие основано на орошении, тогда как в Великобритании практически все сельскохозяйственные культуры обеспечиваются влагой за счет атмосферных осад- ков. В США орошается 10% сельскохозяйственных земель; в основном на западе страны. В Австралии орошается около 9% сельскохозяйственных угодий и около 5% – на терри- тории стран бывшего СССР. Среди стран Азии лидирует Китай, где искусственно оро- шается 68% сельскохозяйственных угодий. В Европе орошаемое земледелие развито в Греции – 15%, Франции – 12%, Испании и Италии – по 11%. Выращивание сельскохо- зяйственных культур требует больших затрат воды. Например, по существующим оцен- кам на 1 кг вишни необходимо израсходовать в среднем 3000 л, риса – 2400 л, пшеницы – 510 л, картофеля – 200 л воды. В сельском хозяйстве вода расходуется не только для полива, а также: пополнения запасов подземных вод в целях предупреждения слишком быстрого опускание уровня грунтовых вод; вымывания (выщелачивания) солей, накопившихся в почве, на глубину ниже корнеобитаемой зоны возделываемых культур; опрыскивания против вредителей и болезней, защиты от заморозков, внесения удобрений, снижения температуры воздуха и почвы летом; ухода за домашним скотом; переработки собранного урожая и пр. В пищевой промышленности вода является основой большинства технологических процессов. Потребности в воде зависят от вида продукции, применяемой технологии и доступности воды соответствующего качества в достаточном объеме. В США на произ- водство 1 т хлеба расходуется от 2000 до 4000 л воды, в Европе – лишь 1000 л и всего 600 л в некоторых других странах. Для консервирования фруктов и овощей требуется от 10000 до 50000 л воды на 1 т в Канаде, а в Израиле, где вода представляет собой боль- шой дефицит, – только 4000-1500 л. «Чемпионом» по затратам воды является лимская 68

фасоль, на консервирование 1 т которой в США расходуется 70000 л воды. На перера- ботку 1 т сахарной свеклы затрачивается 1800 л воды в Израиле, 11000 л во Франции и 15000 л в Великобритании. На переработку 1 т молока требуется от 2000 до 5000 л воды, а на производство 1000 л пива в Великобритании – 6000 л, в Канаде – 20000 л. Целлюлозно-бумажная промышленность – одна из самых водоёмких, вследствие огромного объема перерабатываемого сырья. На производство каждой тонны целлюлозы и бумаги в среднем затрачивается 150000 л воды во Франции и 236000 л в США. В про- цессе производства газетной бумаги на Тайване и в Канаде расходуется около 190000 л воды на 1 т продукции, производство же тонны высококачественной бумаги в Швеции требует около 1 млн. л воды. Значительные объёмы воды расходуются при производстве топлива. Для выработ- ки 1000 л высококачественного авиационного бензина необходимо 25000 л воды, а авто- мобильного бензина – на две трети меньше. В текстильной промышленности вода требуется для замачивания сырья, его очист- ки и промывки, отбеливания, крашения и отделки тканей, а также для других технологи- ческих процессов. Для производства каждой тонны хлопчатобумажной ткани необходи- мо от 10000 до 250000 л воды, шерстяной – до 400 000 л, синтетической – до 2 млн. л. В металлургической промышленности вода используется практически на всех эта- пах производственного цикла. В ЮАР при добыче 1 т золотой руды расходуется 1000 л воды, в США при добыче 1 т железной руды 4000 л и 1 т бокситов – 12000 л. В США производство железа и стали требует примерно 86000 л воды на каждую тонну продук- ции. При этом до 4000 л составляют безвозвратные потери – главным образом на испа- рение. Водопотребление в черной металлургии значительно варьирует по странам. На производство 1 т чугуна в чушках в Канаде тратится 130000 л воды, на выплавку 1 т чу- гуна в доменной печи в США – 103000 л, стали в электропечах во Франции – 40000 л. Приток воды в озеро поверхностный антропогенный. Использованная вода не все- гда утрачивается полностью, часть её или даже вся она может быть возвращена в круго- ворот и вновь использована. Например, вода из ванны или душа по канализационным трубам попадает в городские очистные сооружения, где проходит обработку и затем ис- пользуется повторно. Как правило, более 70% городских стоков с разной степенью очистки возвращается в реки, озёра или подземные водоносные горизонты. Загрязнение водоёмов – это принесение новых, не характерных для них физических, химических и биологических агентов или превышение их естественного уровня. Водный баланс озера Байкала (пример). Исследованиям водного баланса Байкала было посвящено много научных работ. Наиболее подробные и детальные расчёты были выполнены А.Н. Афанасьевым (1976), Б.С. Цейтлиным (1959) и Н.Н. Янтер (1990). Таблица 12 – Водный баланс Байкала (по А.Н. Афанасьеву и Н.Н. Янтеру) А.Н. Афанасьев Н.Н. Янтер Составляющие баланса Слой, Объём, Слой, Объём, 3 % 3 % мм/год км /год мм/год км /год Приход Поверхностный приток 1870 58,75 82,7 1492 61,51 83,8 Подземный приток 68 2,30 3,0 6 0,18 0,2 Осадки 296 9,29 13,1 373 11,78 16,0 Конденсация 27 0,82 1,2 - - - Итого 2261 71,16 100 2321 73,47 100 Расход Поверхностный сток 1916 60,39 84,8 1929 61,08 83,1 Испарение 331 10,33 14,6 392 12,39 16,9 Изменение уровня и объёма 14 0,44 0,6 - - - Итого 2261 71,16 100 2321 73,47 100 69

Как видно из таблицы, главной составляющей приходной и расходной части балан- са является речной сток. По старинной легенде у старика Байкала было 337 дочерей- красавиц, но самая красивая из них Ангара влюбилась в богатыря по имени Иртыш. Од- нажды ночью непослушная дочка сбежала от отца к любимому, с тех пор 336 рек впада- ют в Байкал, и только Ангара несёт свои воды из озера. Согласно докладу «Состояние окружающей среды на байкальской природной территории», представлен- ному ТОВР по Иркутской области Енисейского БВУ Росводресурсов, с 1960 года уровень озера Байкал за- висит не только от соотношения традиционных эле- ментов структуры водного баланса, но и от режима эксплуатации каскада ангарских ГЭС, работающих в компенсационном и взаимозависимом режиме. В среднем многолетнем водном балансе Байкала приходная часть представлена притоком поверхност- ных вод (57,77 км3/год – 82,4 % приходной части), осадками (9,26 км3/год – 13,2%), притоком подземных вод (3,12 км3/год – 4,4 %). Главными составляющими расходной части баланса являются сток из озера Бай- кал поверхностных вод (60,89 км3/год – 86,8 %) и ис- парение (9,26 км3/год – 13,2 %). После сооружения плотины Иркутской ГЭС (высо- та 44 метра и длина 2,5 км) в 70 км от истока Ангары и наполнения Иркутского водохранилища подпор от плотины в 1959 году распространился до озера Байкал и в 1964 году превысил его среднемноголетний уро- вень на 1,30 метра. В дальнейшем среднемноголетний зарегулированный уровень озера (единый с уровнем Иркутского водохранилища) поддерживается на 1 метр выше среднего уровня Байкала до строительства ГЭС. Это позволило использовать часть объёма озера в каче- стве водохранилища для регулирования стока путём искусственного сезонно-годового и многолетнего регулирования уровня воды. Годовой ход уровня Байкала в условиях подпора в целом сохранился близким к естественному режиму. Зарегулированность проявилась в увеличении амплитуды коле- баний уровня (от 80 до 113 см) и сдвигу в сторону запаздывания сроков наступления наибольшей сработки и наполнения водоёма. Годовой ход уровня на озере Байкал обычно характеризуется плавным повышени- ем в течение весенне-летнего периода (май - сентябрь), стабилизацией максимальных уровней в октябре и непрерывным понижением (ноября - апрель). Колебания уровня воды Байкала благодаря обширной площади водной поверхно- сти (31500 км2) и значительному стоку из озера в истоке Ангары (60 км3/год) по средне- годовым показателям невелики: - в 1900-1958 гг. (период естественных условиях) – 80 см; - в 1959-2007 гг. (после сооружения Иркутской ГЭС) – 113 см; - в последние 17 лет – 36 см. Предельные значения уровня воды в Байкале определены Постановлением Прави- тельства Российской Федерации от 26.03.2001 № 234 «О предельных значениях уровня воды в озере Байкал при осуществлении хозяйственной и иной деятельности» и состави- ли в тихоокеанской системе высот 456 м (минимальный уровень) и 457 м (максимальный уровень). При этом допустимый уровень сработки в данном диапазоне составляет 31,5 км3, т.е. 0,14% от объёма воды в Байкале (23 тыс. км3). 70

4.3. Режим уровня озера Уровень воды – высота поверхности, отсчитываемая отно- сительно постоянной плоскости сравнения (по умолчанию – относительно ординара). Ординар [от лат. - ordinārius - соот- ветствующий обычным правилам, обычный, надлежащий, нормальный] – средний многолетний уровень воды в водоёме, а также нуль футштока на водомерных постах, фиксирующих уровень воды. Колебания уровня измеряются в сантиметрах. В России абсолютные высоты точек определяются в Балтийской системе высот (БСВ) относительно нуля Кронштадтского фут- штока – уровнемер в виде рейки, установленной на устье Сине- го моста через Обводный (Проводной) канал в Кронштадте. Наряду с Балтийской системой высот используется местная система – Тихоокеанская, её уровень поверхности ниже нуля Кронштадтского футштока на 1873 мм. Режим колебаний уровня воды – это главнейшая характеристика озера. Закономерные изменения уровня, площади и объёма воды, а также характеристики течений и волнений определяют водный режим озера, который совместно с ледотерми- ческим, гидрологическим, гидробиологическим и другими режимами формируют его гидрологический режим. От уровня воды в озере зависит возможность его хозяйственно- го использования, так как высота стояния уровня воды определяет эффективность рабо- ты водного транспорта, надёжность водозабора для орошения сельскохозяйственных угодий, промышленное и коммунальное водоснабжение, экология регионов и т.д. Изменения и колебания уровня озёр в котловинах может происходить при наруше- нии горизонтального положения водных поверхностей или при изменениях объёмов водных масс. В первом случае изменения являются следствием денивеляции [от франц. déniveler – делать неровным] водной поверхности – перекос уровенной поверхности во- ды озёр, возникающий в результате сгонно-нагонных явлений или сейшевых колебаний, а также волнообразования под действием атмосферных ветров. Во втором случае – яв- ляются следствием изменения структуры водного баланса и пространственных характе- ристик чаш озёр (например, деформация в результате геологических процессов). Объёмные колебания уровня связаны с изменениями объёма (массы) воды в озёрах и определяются в основном их водными балансами, которые зависят от глобальных гео- физических и тектонических, климатических и погодных, а также антропогенных при- чин. Глобальные геофизические и тектонические изменения формируют вид и положе- ние озёрной котловины и чаши, которые хорошо иллюстрирует, например, история раз- вития самого большого озера в мире – Каспийское море, изменение уровня которого представлено на рисунке. Рисунок 21 – График изменения уровня Каспийского моря за по- следние 400 тыс. лет [12] 71

Уровень Каспийского моря определялся не только таянием древнего ледникового покрова, но и изменениями в земной коре. Через Кумо-Маныческую впадину – тектони- ческое желобовидное понижение – озеро ранее сливалось с замкнутым бассейном Чёр- ного (Эвкинского) озера, которое было на 60 метров ниже современного Чёрного моря и не имело связи с океаном. Более короткие колебания уровней озёр определяются климатическим факторами, которые часто накладываются на процессы деформации земной коры (например, подня- тие) и результаты деятельности человека (например, изменение стока рек и интенсивное орошение). Климат – это статистический режим атмосферных условий (условий погоды), ха- рактерный для каждого данного места на Земле в силу его географического положения [47]. Климат меняется от одного многолетнего промежутка времени к другому, причём такие изменения в историческое время имеют обычно характер колебаний. По определе- нию известного советского и российского геофизика и океанолога Андрея Сергеевича Монина, климат есть статистический режим (статистический ансамбль) колебаний со- стояния атмосферы с короткими периодами (до года), испытывающий колебания с дли- тельными периодами (порядка десятилетий, столетий, тысячелетий). Колебания климата достаточно малы и не мешают ему быть устойчивой характеристикой данной местности. Если обратится к истории Арала, то море уже высыхало, при этом снова возвращалось в прежние берега. В ис- торическую эпоху происходили суще- ственные колебания его уровня. Так, на отступившем дне были обнаружены остатки деревьев, росших ранее на этом месте. В середине кайнозойской эры (21 млн. лет назад) Арал был соединён с Каспием. До 1573 года Амударья по рукаву Узбой впадала в Каспийское море, а река Тургай – в Арал. На карте, составленной греческим ученым Клавдием Птолемеем (1800 лет назад), показаны Аральское и Каспийское моря; в Каспий впадают реки Зарафшан и Амударья. В конце XVI и начале XVII веков из-за понижения уровня моря образовались острова Барсакельмес, Каскакулан, Козжетпес, Уялы, Бийиктау и Возрождения. Реки Жанадарья с 1819 года, Куандарья с 1823 года перестали впадать в Арал. С начала систематических наблюдений (XIX век) и до середины XX века уровень Арала практически не менялся. В 1950-х годах Аральское море было четвёртым по площади озером мира, занимая около 68 тыс. км2, его длина составляла 426 км, ширина – 284 км, наибольшая глубина – 68 м. В тридцатые годы прошлого столетия началось масштабное строительство ороси- тельных каналов в Средней Азии. С 1960-х годов море стало мелеть из-за того, что вода рек, впадавших в него, во всё возрастающих объёмах отводилась на орошение. С 1960 по 1990 год площадь орошаемых земель в Центральной Азии увеличилась с 4,5 млн. до 7 млн. га, а уровень воды понижался с возрастающей скоростью от 20 до 80-90 см/год. В 1989 году море распалось на два изолированных водоёма — Северное (Малое) и Южное (Большое) Аральское море. В 2003 году площадь поверхности Аральского моря состави- ла около четверти от первоначальной, а объём воды – около 10 %, абсолютный уровень воды снизился до отметки 31 м. Отступившее море оставило после себя 54 тыс. км2 су- хого покрытого солью морского дна, а в некоторых местах отложениями из пестицидов и различных других сельскохозяйственных ядохимикатов, смытых когда-то стоками с местных полей. В настоящее время сильные бури разносят соль, пыль и ядохимикаты на расстояние до 500 км. 72

Печальную судьбу Арала начинают повторять другие крупные водоёмы мира, в первую очередь озеро Чад в Центральной Африке и озеро Солтон-Си на юге американ- ского штата Калифорния. Например, в результате бурного развития орошения с 1960-х годов озеро Чад в Африке уменьшилось до 1/10 своих прежних размеров. В соответствии с факторами, обусловливающими водно-балансовые колебания уровня озёр, в лимнологических исследованиях обычно рассматриваются следующие временные масштабы [42]: годовой – многолетняя изменчивость, обусловленная влиянием глобальных факто- ров климатологического характера; месячный – сезонная (внутригодовая) изменчивость, связанная с влиянием гелио- геофизических факторов; суточный – синоптическая изменчивость, обусловленная изменением циклониче- ской деятельности атмосферы; часовой – внутрисуточная изменчивость, связанная с воздействием приливо- отливных сил и факторов, вызывающих сейшевые колебания уровня. При исследовании уровенного режима озёр основное внимание, как правило, уде- ляется их многолетним и сезонным колебаниям. Подобные исследования, например, позволили выявить ритмические колебания Ладожского озера с циклом 29-30 лет, в ко- торых многоводные фазы озера сменяются маловодными фазами. Многоводные (транс- грессивные) фазы характеризуются подъёмом уровня воды, увеличением стока рек, бо- лее прохладным климатом; условия зарастания водоёма ухудшаются. Фазы маловодные (регрессивные) отличаются более сухим и тёплым климатом; понижение уровня озёр благоприятствует их зарастанию. Как показали исследования А.В. Шнитникова, Ладож- ское озеро за последнее столетие пережило ряд трансгрессивных и регрессивных фаз: многоводные – 1864-1879, 1899-1905, 1922-1932, 1953-1958 периоды времени; маловод- ные – три фазы с минимумами в 1855, 1887 и 1921 годах, периоды – 1937-1952, 1959- 1961 годов. В период 1953-1958 года наиболее высокий средний годовой уровень был отмечен в 1958 году и составил 556 см, самый низкий в 1940 году – составил 364 см в Балтийской системе высот. Удельный вес отдельных составляющих в водном балансе озёр и их годовой и мно- голетний ход имеют географическую зональность, при этом в одной и той же географи- ческой зоне могут преобладать те или другие составляющие в зависимости от соотноше- ния размеров водоёмов с площадью их водосборов. В озёрах, имеющих по сравнению с площадью водосбора небольшую площадь зеркала, амплитуды колебания уровня боль- ше, чем в озёрах со значительной площадью зеркала. Так например, годовая амплитуда колебаний уровня Онежского озера, площадь водосбора которого всего в 6 раз больше площади зеркала, не превышает 1 метра, в то время как в Кубенском озере (площадью водо- сбора в 40 раз больше площади зер- кала) она достигает 3,5 метров. Ам- плитуда колебания уровня Телецкого озера с площадью водосбора, превы- шающего площадь зеркала в 50 раз, ещё больше – 4-5 метра. Рисунок 22 – Гидрографическая структура бассейна Онежского озера 73

На территории стран СНГ можно наметить определённые типы режима уровней озёр, связанные с питанием и водным балансом. В зоне достаточного и избыточного увлажнения преобладает снеговое питание; сток доминирует как в приходной, так и в расходной части баланса, потери на испарение сравнительно невелики. В питании ряда озёр существенную роль играют дождевые воды. В связи с такими особенностями пита- ния и водного баланса в годовом ходе уровня наблюдается подъём в период стока талых вод; максимальные уровни наступают в конце весны, начале, иногда середины лета. Далее плавный спад уров- ней продолжается до осени, когда у ряда озёр небольшой подъём вызывается до- ждями. Рисунок 23 – График колебания уровня Колозера (Кольский п-ов) и Плещеева озера (Ярославская обл.) для среднего по водности лета [10] В зависимости от метеорологических условий года минимум уровня бывает боль- шей частью в конце зимы (перед началом весеннего подъёма), реже осенью. Амплитуды колебания уровней крупных озёр (например, Ладожское, Онежское) редко превышают 1 метр, у меньших по размерам водоёмов она достигает 2,5-3,5 метров (например, Кено- зеро, Кубенское) и даже 4-6 метров (Ильмень). По мере перехода от увлажнённых к засушливым областям в водном балансе начи- нают играть существенную роль потери воды на испарение, а среди типов озёр начинают преобладать бессточные озёра. Многие озёра засушливых областей характеризуются резким весенним подъёмом уровня с последующим спадом, вплоть до полного пересыхания в маловодные годы, например, Сарпинские озёра Прикаспия, для других характерен сравнительно неболь- шой весенний подъём, после которого уровни медленно понижаются в течение лета, поддерживаясь дождями и грунтовыми водами. Максимум уровня обычно бывает в мае или июле, минимумы – осенью и зимой (озёра Барабинской и Кулундинской степей). Амплитуды колебания уровня сильно варьируют в зависимости от размеров озёр и усло- вий стока в их бассейнах. В ряде озёр они достигают 2-4 метров. Сарпинские озёра – цепь пресных и солоноводных озёр с обширными мелководьями, островками, густыми зарослями надводной растительности из тростника, ка- мыша, рогоза, представляющая собой реликт внутрен- ней дельты пра-Волги, формировавшейся на протяже- нии 7-8 тыс. лет на месте глубокого эстуария в конце позднего плейстоцена. Место миграции водоплаваю- щих птиц и гнездования водоплавающих и околовод- ных птиц. Наиболее крупные озёра: Сарпа (Северное озеро) – 42,6 км², Ханата – 38 км², Барманцой – 25,8 км²; Цоган-Кур – 23,5 км², Батыр-Мала – 21,9 км². Гидрологический режим озёр полностью определя- ется климатическими условиями. Площадь озёр измен- чива, питание в основном снеговое. Весной озёра за- полняются талой водой и соединяются друг с другом протоками. 74

Летом озёра почти полностью пересыхают, некоторые превращаются в солончаки, днища других распахиваются. Питание озёр до начала обводнения низменности ограни- чивалось весенними талыми водами и атмосферными осадками. До середины 70-х годов озёра почти пересыхали и представляли собой систему плёсов, соединяющихся в весен- нее время. После подачи воды из Волги по каналам Сарпинской системы в 1978-79 годах площадь отдельных озёр увеличилась на 20-30 %. В настоящее время гидрологический режим озёр имеет естественно-антропогенный характер. Барабинская низменность (Барабин- ская степь, Бараба) – низменность в южной части Западной Сибири, в пре- делах Новосибирской и Омской обла- стей. Представляет собой волнистую равнину площадью около 117 тыс. км², в южной части встречаются парал- лельные повышения – гривы. Берёзо- вые колки перемежаются с болотами и лугово-степной растительностью. В понижениях имеются пресные и солё- ные озёра (Чаны, Убинское, Сартлан, Тандово и др.), сфагновые болота и со- лончаковые луга. Кулундинская равнина (Кулундинская степь) – равнина на юге Западной Сибири в Алтайском крае и Павлодарской области Казахстана в междуречье Оби и Иртыша. Пло- щадь около 100 тыс. км². В центральной части низменности расположены крупные озёра Большое Яровое и Кулундинское. Для рельефа характерно чередование высоких (50-60 метров) грив, вытянутых с северо-востока на юго-запад, и разделяющих их понижений, занятых реками и бессточными озёрами с солёной или горько-солёной водой. В озёрах запасы соды, глауберовой и поваренной соли. Климат континентальный, отличается жарким засушливым летом и холодной малоснежной зимой. Для озёр, получающих питание от талых вод ледников и высокогорных снегов, ха- рактерен летний максимум уровня. Сюда относятся как крупные озёра засушливых рав- нин, получающие питание из горных частей бассейнов (Арал, Балхаш, Зайсан), так и горные озёра (Телецкое, Иссык-Куль, ряд озёр Алтая и Кавказа). В связи с несовпадением пери- одов таяния снегов и ледников на различных высотах в ходе уров- ней многих озёр этого типа отме- чается несколько пиков, прихо- дящихся на конец весны и лето (например, Телецкое озеро). Амплитуды колебания уровня сильно варьируют: от 0,5-1 метра – озёра Севан, Иссык-Куль до 4-5 метров – озеро Телецкое. Рисунок 24 – График колебания уровня Телецкого озера (Респуб- лика Алтай) для среднего по вод- ности лета [10] 75

На Дальнем востоке, в Забайкалье, северо-востоке России и на Камчатке сказыва- ется в питании озёр преобладание дождевых вод, которые у многих водоёмов комбини- руются со снеговым и ледниковым питанием. В зависимости от периода выпадения до- ждей и от сочетания дождевых вод с другими видами питания максимальные уровни мо- гут наблюдаться летом и осенью. Так например, для Байкала и ряда озёр Забайкалья типичны осенние (сентябрь - октябрь) максимумы. Озёра, лежащих в верхней части бас- сейнов Яны и Индигирки (Сюран- Кель, Джека Лондона), имеют подъ- ём уровня в конце весны и начале лета от талых снеговых вод и ряда дождевых пиков в течение лета, по- чти не уступающих по высоте снего- вым. Рисунок 25 – График колебания уровня озёр Начикинского и Джека Лондона для среднего по водности лета [10] На озёрах Камчатки дождевые и талые воды вызывают подъём уровней с весны до конца лета. Максимум обычно приходится на середину лета. Типичным для озёр с боль- шой долей дождевого питания является режим уровня озера Ханка с чередованием пиков в течение всей тёплой части года. Максимумы в зависимости от распределения осадков и стока приходятся в отдельные годы на весну и осень. В зависимости географических условий бассейнов озёр амплитуды колебаний их уровня сильно варьируют. Синоптическая изменчивость уровня озёр наиболее заметна в результате циклони- ческой деятельности атмосферы и определяется обычно уровнем выпадающих осадков. Территория России подвержена зонам активного тропического циклогенеза регионов Атлантического океана и северо-запада Тихого океана, которые с циклонами приносят наводнения и выход из берегов водных объектов. Традиционно существует деление Мирового океана на шесть основных районов за- рождения тропических циклонов – шесть зон активного тропического циклогенеза [47]: Северное полушарие:  Северо-запад Тихого океана (I регион);  Северо-восток Тихого океана (II регион);  Атлантический океан (III регион);  Север Индийского океана (IV регион). Южное полушарие:  Юг Индийского океана (V регион);  Юг Тихого океана (VI регион). I регион. Желтое море, Филиппинские острова и Тихий океан к востоку от них до 1700 в.д. В этом районе наблюдается наибольшее, в сравнении с другими, количество тропических циклонов. Тропические циклоны этого района движутся вначале на запад и северо-запад. Если они при этом достигают берегов Китая, то быстро затухают над су- шей. Но чаще, не достигнув материка, циклоны поворачивают к северо-востоку и неред- ко проходят через южные Японские острова или вблизи от них. Изредка достигают рай- она Камчатки. Местное название: Япония, Китай, Вьетнам – тайфун, Филиппинские ост- рова – бегвизы. В среднем за год возникает – 28, средний срок жизни – 10 суток. II регион. Тихий океан: к западу от Мексики и Калифорнии. Местное название – ураган. В среднем за год возникает – 9-10, средний срок жизни – 7 суток. 76

III регион. Тропики северного Атлантического океана, в особенности на западе океана – в Карибском море, в районе Малых Антильских островов и в Мексиканском за- ливе; на востоке океана – в районе островов Зеленого Мыса. Местное название – веси- индийские ураганы. В среднем за год возникает – 9-10, средний срок жизни – 9 суток. IV регион. Бенгальский залив. Попадая на сушу в Индии, тропические циклоны ча- сто производят сильные опустошения; особенно страшны связанные с ними нагоны воды на плоские берега. Аравийское море – здесь тропические циклоны возникают весной и осенью. Местное название: циклон или шторм. В среднем за год возникает – 3-4, сред- ний срок жизни – 4-5 суток. V регион. Индийский океан: между Мадагаскаром и Маскаренскими островами, между северо-западным побережьем Австралии и Кокосовыми островами. Местное название на Мадагаскаре и Маскаренских островах – арканы, среднее число за год – 9, средний срок жизни – 9-10 суток. В Австралии и на Кокосовых островах – вили-вили, среднее число за год – 2-3, средний срок жизни – 9 суток. VI регион. Тихий океан: к востоку от Новой Гвинеи и северной Австралии до ост- ровов Самоа и Гебридских. Местное название – ураган. В среднем за год возникает – 6-7, средний срок жизни – 7 суток. Максимум повторяемости тропических циклонов приходится на лето и осень каж- дого полушария, когда зона конвергенции не слишком близка к экватору, а поверхность океана особенно нагрета, не менее чем до +27 °С. Данные условия отсутствуют в южном Атлантическом океане и на востоке Тихого океана; в результате тропические циклоны здесь не возникают. Сводная схема путей тропических циклонов за период с 1985 год по 2005 год представлена на рисунке. Рисунок 26 – Сводная схема путей тропических циклонов за период 1985-2005 годы В зависимости от района образования тропические циклоны принято называть по- разному: в тропической зоне Тихого океана – тайфуны, в Атлантике – ураганы, в Ав- стралии – вили-вили. Самым интенсивным тайфунам Тихого океана и ураганам Атлан- тики присваивают имена, согласно установленным спискам. Для тайфунов используются четыре списка имен, для ураганов установлен один. Часовая (внутрисуточная) изменчивость связана с воздействием приливо-отливных сил и факторов, вызывающих сейшевые колебания уровня, а в некоторых случаях и цик- лонической деятельностью. 77

Деформационные колебания уровня возникают в результате сгонно-нагонных и сейшевых явлений, а также волнообразования под действием ветров. Сгонно-нагонные явления. В водоёме любых размеров и формы под действием вет- ра и волн практически всегда наблюдаются сгонно-нагонные явления. Нагоны воды от- мечаются у наветренного берега озера, а сгоны воды – у подветренного берега озера. Их образование обусловлено действием двух факторов: волновой перенос вод и перенос вод, обусловленный действием ветровых течений [58]. Волновой перенос вод может быть вычислен по формулам теории волн большой высоты, разработанной Стоксом. Элементарный расход воды qв на единицу волнового фронта в единицу времени равен aв √gk qв = , (11) 2 где

Chkmark
Всё

понравилось?
Поделиться с друзьями

Отзывы