научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ ВОД СЕЛЕНГИНСКОГО МЕЛКОВОДЬЯ С УЧЕТОМ СЕЗОННОГО ХОДА РЕЧНОГО СТОКА, ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕКЦИИ И ТЕРМОБАРОВ Геология

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ ВОД СЕЛЕНГИНСКОГО МЕЛКОВОДЬЯ С УЧЕТОМ СЕЗОННОГО ХОДА РЕЧНОГО СТОКА, ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕКЦИИ И ТЕРМОБАРОВ»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 4, с. 439-445

= ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ =

УДК 551.463.5

ФОРМИРОВАНИЕ ВОД СЕЛЕНГИНСКОГО МЕЛКОВОДЬЯ С УЧЕТОМ СЕЗОННОГО ХОДА РЕЧНОГО СТОКА, ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕКЦИИ

И ТЕРМОБАРОВ1

© 2007 г. П. П. Шерстянкин, В. Г. Иванов, Л. Н. Куимова, В. Н. Синшкович

Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук 664033 Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3 Поступила в редакцию 31.01.2006 г.

Изучен сезонный ход температуры воды на Селенгинском мелководье. Оценены вклады режимов волнения, речного стока, термических фронтов и термобаров в формирование физических структур.

Р. Селенга оказывает основное влияние на Се-ленгинское мелководье большим притоком речных вод, составляющим ~30 км3/год (половину всего годового притока в оз. Байкал). С учетом сезонного хода стока, термической конвекции и формирующихся под ее влиянием термических барьеров, ветрового волнения и прибрежных течений, р. Селенга и ее дельта оказывают многогранное влияние на прилегающий район озера, его воды, на их физические, химические, биологические свойства, на строение дна, донных осадков, рыбное население и т.д. Цель настоящей работы - анализ и описание наиболее важных черт формирования вод Селенгинского мелководья.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СЕЛЕНГИНСКОМ МЕЛКОВОДЬЕ

Ветровое волнение и прибрежные течения

Ветровое волнение и прибрежные течения оказывают большое влияние на режим формирования рельефа дна мелководья на глубинах до 2 на подводные бары и до 20 м на донные отложения в виде песков; в более глубоких и удаленных от дельты местах большую роль в формировании рельефа дна играет тектоника [12]. Ветровое волнение способствует крупномасштабному турбулентному перемешиванию с образованием пятен и прослоек речных вод в озерных водах на мелководье [6, 17].

В непосредственной близости от дельты выделяются две основные ветви прибрежных течений: северная и южная [3, 16]. Северная ветвь идет от протоки Средней вдоль берега на северо-восток, перед мысом Облом принимает струю стокового течения из зал. Провал и далее вливается в цикло-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

(гранты 05-05-64375, 05-05-97242 и 06-05-64685).

ническую циркуляцию средней котловины. Часть южной ветви, в формировании которой участвуют стоковые струи от проток Харауз, Галутай и Левобережная (из северной части Истокского (Чер-калова) сора), пересекает озеро и вливается в западную ветвь циклонической циркуляции южной котловины, идущую в сторону р. Ангары. Другая часть струи огибает дельту и вливается в северную ветвь, продолжая кругобайкальскую циркуляцию у этой части побережья.

Стоковый режим р. Селенги четко выражен в прибрежной полосе дельты, имеющей многочисленные протоки. По данным за последние годы [14] основные протоки, образующие дельту, имеют следующие значения летних и зимних расходов: Лоба-новская - 37 и 10%; Средняя - 3 и 0, Галутай - 7 и 2, Харауз - 28 и 58, Левобережная - 25 и 30% соответственно (рис. 1).

Представляя характер распределения селен-гинских вод на мелководье будем считать, что выходной створ Селенги начинается у южной части Истокского сора, проходит по внешнему краю дельты и заканчивается у мыса Облом, имеет средние глубины ~1 м и протяженность ~70 км (рис. 1). Тогда при среднегодовом расходе Селенги 1000 м3/с средняя скорость стокового течения будет равна 1.5 см/с. Таким образом, со стороны реки создается стоковый барьер для озерных вод, препятствующих проникновению в дельту. Исключение составляют Истокский сор и зал. Провал, где сток речных вод, прижимаемых силой Кориолиса к правому берегу, вызывает заходы в заливы компенсационных течений, препятствующих застойным явлениям и благоприятных для биоты. Стоковый характер процессов распространения селенгинских вод на больших расстояниях от дельты прослеживается в струйных течениях.

Рассмотрим, как быстро затухает стоковая скорость струйного течения УА(г), см/с, нормирован-

Рис. 1. Селенгинское мелководье (материалы электронных карт оз. Байкал [20]). Изобаты проведены через 200 и через 10 м (для глубин <50 м). Самые крупные протоки в дельте Селенги: 1 - Лобановская, 2 - Средняя, 3 - Галутай, 4 - Харауз и 5 - Левобережная. Точки на разрезе Харауз - Красный Яр - станции на расстояниях 0, 1.3, 1.5, 3 и 4 км от устья протоки Харауз.

ная на скорость в выходном створе У(0), где г - расстояние от створа, км. Пусть величина расхода воды в протоке 2(0), а ее сечение в устье £(0), тогда, учитывая в первом приближении, что 2(0) = = У(0)£(0) = У(г)£(г), для нормированной стоковой скорости получим

^г) = У(г)/У(0) = £(0)/£(г), (1)

где £(0) и £(г) - площадь выходного створа и сумма площадей фронтальной и боковых поверхностей струи, м2, соответственно.

Для протоки Харауз в направлении на мыс Красный Яр стоковые скорости У^г) с удалением от выходного створа, рассчитанные по фор-

муле (1), убывают по экспоненциальному закону У^г) = 51в~2Лг (рис. 2), что соответствует теоретическим представлениям [13] и совпадает с результатами измерений [1]. Существенно большие значения стоковых скоростей получил В.А. Фи-алков [16], проводивший измерения в старом подводном русле протоки Харауз.

Уплотнение при смешении, термическая конвекция

Смешение речных и озерных вод в 2-3-км прибрежной полосе всегда сопровождается стоковыми течениями и разницей температур, так как

речные воды быстрее прогреваются весной и летом и быстрее охлаждаются осенью. Это приводит к постоянному проявлению различий между озерными и речными водами по температуре и солености; появлению вод, уплотненных при смешении; существованию термических барьеров и интенсивному вертикальному перемешиванию. При достижении одной из взаимодействующих водных масс температуры максимальной плотности (ТМП ~ 4°С), термические фронты переходят в термобары.

На границе взаимодействия речных и озерных вод, имеющих разную температуру и соленость, происходит уплотнение при смешении АрУПС. При учете уплотнения только за счет температуры получим [15]

АРупс - -(РггАТ2)/8, (2)

где ртт - двойная производная р по Т, АТ - разности температур между станциями. Уплотнение при смешении АрУПС вызывает конвекцию. Конвективные скорости Ж часто оценивают сверху (максимальные) по формуле Г.С. Голицына [8]

Ж2 < agАTd, (3)

где а - коэффициент термического расширения, g - ускорение свободного падения, АТ - разность температур и d - толщина слоя воды. Учитывая, что а - (-1/р)(Ар/АТ) и в данном случае Ар = АрУПС, из (3) получим

Ж < Л/Арyпcgd/р. (3а)

Полагая, что в (3а) g = 9.81 м/с2 = 981 см/с2, d = 100 см (для определенности) и р = 1 г/см3 для оценки максимальных конвективных скоростей Ж, получим

V(r)/V0, %

Рис. 2. Отношение скоростей стоковых течений (на расстоянии r от устьевого створа V(r) и в самом створе V0) и профиль дна протоки Харауз. 1 - по формуле (1), 2 - по [1] и 3 - по [16].

W= 313.217Лрупс. (4)

Оценки конвективных скоростей W, см/с, при реальных уплотнениях воды Друпс, г/см3, для слоя воды толщиной 1 м, рассчитанные по формулам (2) и (4) с применением формул для расчета точных значений термодинамических параметров озерных вод из [19, 11], приведены в табл. 1. Максимальные горизонтальные градиенты ДТ и Друпс, которым соответствуют максимальные W,

Таблица 1. Температуры поверхностных вод Т, двойные производные плотности воды по температуре ртт, расчетные значения Арупс и Ж по формулам (3)-(5), расстояние Ь (прочерк - отсутствие данных)

Место наблюдения Дата L, км Т, °C рТТ х 105, г/см3 Друпс х3 106, г/см3 W, см/с

Течения по [10]

Гольфстрим - - 24.0 - 240.000 6.00*

Лабрадорское - - 10.0 - 240.000 4.80

Харауз-Красный Яр

По [17] 29.05.1960 1.3 12.5 -1.2534 142.000 3.73

То же 29.05.1960 4.0 3.6 -1.6162 142.000 3.73

По[6] 27.10.1958 1.5 1.1 -1.7516 74.400 2.70

То же 27.10.1958 3.0 7.2 -1.4492 74.400 2.70

» 15.03.1959 1.5 0.10 -1.8108 0.022 0.05

» 15.03.1959 3.0 0.20 -1.8048 0.022 0.05

По данным авторов 04.08.2004 0.0 20.1 -1.0494 62.200 2.47

То же 04.08.2004 1.5 13.5 -1.2225 62.200 2.47

* По [15].

наблюдаются в местах встреч холодных и теплых морских течений (Лабрадорского, Гольфстрима) [10], а на оз. Байкал в прибрежных районах и местах впадения рек (Селенгинское мелководье) вблизи протоки Харауз. Величины максимальных конвективных скоростей Ж, полученные для Лабрадорского течения и Гольфстрима методами [15] и авторами статьи по формуле (3) или (4), близки между собой. Это говорит о правильности приведенного метода расчета Ж. Максимальные значения (близкие к морскому случаю) АТ, АрУПС и Ж напротив протоки Харауз имеют место при летнем прогреве (июнь-август) и осенне-зимнем охлаждении (октябрь-декабрь), а минимальные -при наличии ледяного покрова (табл. 1).

По наблюдениям за температурой и по расчетным параметрам АТ и АрУПС самые высокие контрасты физических, химических, биологических и других свойств вод прибрежной зоны наблюдаются в 2-3 - км полосе. Быстрый спад скоростей стоковых течений (рис. 2) приводит к уменьшению несущей силы потока, что вызывает выпадение минеральной и биологической взвеси и изменение донных осадков от песчаных до илистых грунтов и т.п.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние стоковой структуры перемешивания речных вод с озерными

Стоковая структура водообмена в районе дельты Селенги проявляется повсеместно от мыса Облом до южной части Истокского сора. В зоне контакта этих вод температурные различия (горизонтальные градиенты) велики, что вызывает большие значения АрУПС, Ж и выравнивание свойств воды по вертикали. Граница между речными, смешанными и озерными водами хорошо просматривается на аэрофото- и космических снимках, так как эти воды резко различаются по цветности, физической прозрачности, температуре, взвеси, химическим, биологическим и другим свойствам. На фоне среднего стокового течения по всему выходному створу Селенги напротив крупных проток наблюдаются струйные стоковые течения. В штилевую погоду при средних расходах Селенги скорости стоковых течений затухают до ~1 см/с на расстоянии не более 2.5-3 км, при максимальных расходах - не более 6-8 км [1, 16], что также согласуется с р

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком