ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 6, с. 700-712
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 551.551
ТЕРМИЧЕСКИМ РЕЖИМ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ВОДОЕМА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА СОСТОЯНИЕ ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ
© 2007 г. Г. Н. Панин*, А. М. Никаноров**, С. Г. Саркисян*, Н. М. Трунов**
*Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 ** Южный отдел Института водных проблем Российской академии наук, Гидрохимический институт 344090 Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 198 Поступила в редакцию 17.08.2006 г.
Исследован термический режим поверхностного слоя воды водоема, его влияние на массо- и газообмен в системе водоем-атмосфера с использованием мезокосма как модели микроэкосистемы.
При взаимодействии водоема с атмосферой вблизи водной поверхности формируются приповерхностные пограничные слои в воздухе и в воде со значительными температурными градиентами [15, 24, 25, 41, 43, 44, 45]. В [27, 28] показано, что знак и величина температурного градиента в приповерхностном слое воды (ПСВ) определяются бюджетом тепла в нем и имеют определенный суточный и сезонный ход.
Очевидно, что термический режим ПСВ может влиять как на газообмен в системе водоем-атмосфера, так и на гидробиологическое состояние водоема. Выявленные закономерности в термическом режиме верхнего слоя воды естественных водоемов позволяют предполагать определенную изменчивость продукционных процессов в нем, подойти к описанию одного из механизмов формирования круговорота веществ и биологической продуктивности водоема, оценке его экологического и газового состояния.
Существование тонкого поверхностного слоя в водоеме доказано экспериментально. В настоящее время хорошо известно, что температура на поверхности воды и в непосредственной близости от нее (на глубинах порядка 1 мм) может различаться на несколько десятых, а часто и на целые градусы. Натурные и лабораторные исследования показали, что толщина слоя и знак перепада температуры в нем находятся в непосредственной зависимости от метеорологических условий, времени суток, времени года. В лабораторных экспериментах, которые, как правило, проводятся зимой при относительной влажности воздуха, не превышающей 50% (что приводит к повышенному испарению), очень часто наблюдается холодный слой толщиной ~0.1 см. В то же время теплый слой до 1 см и более был зарегистрирован на озерах в дневное время весной и летом [9]. Пере-
ход от холодного слоя к теплому происходит при устойчивой плотностной стратификации воздуха, что в естественных условиях часто соответствует положительной разности температур между воздухом и водой. Было установлено, что существование тонкого слоя с молекулярным теплообменом возможно только при слабом или умеренном ветре. Разрушение тонкого поверхностного слоя происходит при скорости ветра 7-10 м/с [49]. В натурных условиях ветер над небольшими водоемами редко превышает это критическое значение. Поэтому вышеизложенные процессы можно считать типичными для небольших водоемов [28, 29, 39, 49].
Теплообмен через поверхность водоема определяется разностью температур между водной поверхностью и воздухом. С помощью стандартного термометра температура воды измеряется на некоторой глубине 30-50 см. Радиометрические (дистанционные) методы позволяют измерять непосредственно температуру поверхности (слоя толщиной ~10 мкм). По разности температур в ПСВ можно оценить теплообмен между водоемом и атмосферой (внутри теплового пограничного слоя), который осуществляется путем молекулярной теплопроводности, турбулентного переноса и лучистого теплообмена. Молекулярная теплопроводность стремится создать линейный профиль температуры, а турбулентный обмен - логарифмический, тогда как излучение с поверхности водоема приводит к уменьшению градиента температуры. Поскольку профиль температуры в слое молекулярной теплопроводности линеен, тепловой поток в нем легко может быть определен.
Измерение профилей температуры тонкого поверхностного слоя начали проводиться еще в 1930-1940-е гг. Было выполнено много натурных
и лабораторных измерений разности температур теплового пограничного слоя [4, 7, 19, 22]. Измерения производились различными методами и в различных условиях. В качестве измерителей температуры использовались термометры, термосопротивления и радиометры. Все эти измерения подтвердили существование теплового пограничного слоя с перепадом температуры в нем (от сотых долей до нескольких градусов). Разброс экспериментальных данных в работах разных авторов связан с различием локальных условий, глубин, на которых определялась температура, и методов измерения температуры.
Температура поверхности воды может быть как выше, так и ниже подповерхностной температуры. Уменьшение температуры поверхности может быть связано с испарением, длинноволновым излучением поверхности, турбулентным и молекулярным теплообменом с атмосферой.
Холодный ПСВ более характерен для моря, где в реальных условиях на него может влиять турбулентное перемешивание, связанное с обрушением поверхностных волн [20]. При этом происходит разрыв холодной поверхностной пленки, ее перемешивание с более теплыми нижележащими слоями и повышение температуры на поверхности. Однако через ~10—12 с холодный поверхностный слой восстанавливается [36].
Для внутренних водоемов (озер, водохранилищ, прудов) с более слабыми поверхностными волнами присутствие ПСВ более характерно, чем для морей. Во внутренних водоемах наряду с холодным имеет широкое распространение и теплый ПСВ. Поэтому изучение его там представляется более важным. В частности, весной в дневное время на фоне холодной воды в таком водоеме создаются благоприятные условия для интенсивного развития продукционных процессов в теплом ПСВ. В ночное время верхний слой воды выхолаживается и становится неустойчивым по распределению плотности, что приводит к развитию в нем вертикальной конвекции и соответствующему переносу биологически продуктивной воды внутрь водоема. Летом и в начале осени теплый ПСВ может заметно сократить газовый обмен через водную поверхность и привести к развитию заморных явлений в водоеме.
Для изучения ПСВ и понимания сложности процессов, происходящих между водоемом и атмосферой, нужен комплексный подход, учитывающий его физические, химические и гидробиологические особенности. Первые оценки возможности существования указанных взаимосвязей сделаны на основании анализа экспериментальных материалов, полученных на Иваньковском водохранилище в 1995-1997 гг. Они свидетельствуют о важной роли термического фактора в формировании гидрохимических и гидробиологи-
ческих показателей ПСВ [29, 49], но требуют соответствующих экспериментальных подтверждений.
Для этого были использованы экспериментальные микроэкосистемы - мезокосмы, максимально приближенные по условиям к естественному водоему, но изолированные от внешних возмущений. Эксперименты проводились на озерах, расположенных в окрестностях г. Ростова-на-Дону.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Изучение термического режима ПСВ, массо- и газообмена в системе водоем-атмосфера и гидробиологического состояния водоема осуществлялось в мезокосмах с контролем основных гидрохимических показателей: рН, ЕЬ, содержания растворенного 02, N - нитратов, нитритов и аммония, минерального и органического Р и других.
Экспедиционные работы были проведены с 28 мая по 8 июля 2003 и с 7 по 29 июня 2004 гг. (совместно с НИИгидрохимии РАН) на озере, расположенном на открытой местности в 30 км от г. Ростова-на-Дону. Мезокосмы устанавливались на расстоянии 10 м от берега. Для их создания использовалась полиэтиленовая пленка, натянутая снизу на металлическую пластинку, а сверху - на деревянный каркас, таким образом, чтобы минимизировать влияние внешних факторов и водоема на резервуар. Нижний конец пленки закреплялся в металлическом основании так, чтобы исключить контакт внутреннего содержимого мезокосма с металлической поверхностью. Таким образом, был создан резервуар объемом 1.5 м3.
Пробы воды отбирали из двух горизонтов: с поверхности (1-2 см) и с глубины (0.5 м). Метеорологические измерения скорости ветра, температуры и влажности воздуха были проведены на высоте 1.5 м от поверхности воды. Температура воды измерялась термометром на глубине 0.5 м.
Для измерения температуры поверхности был использован инфракрасный радиометр АИР-3, предназначенный для дистанционного измерения температуры водной и подстилающей поверхности. Температура поверхности измерялась в диапазоне от 0 до +50°С с погрешностью 0.1. Питание прибора осуществлялась от сети переменного тока, калибровка проводилась ежедневно.
Отбор проб на химический анализ воды проводился 8-10 раз в сутки. Растворенный в воде 02 и рН воды определяли на месте отбора проб. Для этого были использованы анализатор растворенного 02 - Ох1 3301/3401 с диапазоном измерений от 0 до 19.99 мг/л и "Эконикс". Пробы для определения бактериальных клеток фиксировались на месте отбора для дальнейшего анализа в лаборатории.
Время наблюдения, сут
Рис. 1. Динамика концентрации растворенного О2 в р. Северный Донец (сентябрь, октябрь 1988 - верхние, май 1989 гг. - нижние кривые) (а). 1 - водный объект, 2 — мезокосм объемом 1.1 м3 ; оз. Кривое (сентябрь, октябрь 1990 г.) (б). 1 — водный объект, 2 — мезокосм объемом 6.8 м3; Исаковское водохранилище (сентябрь 1989 г.) (в). 1 — водный объем, 2, 3 — контрольный мезокосм объемом — 4.5 -4.8 м3.
АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОДОБИЯ УСЛОВИЙ В МЕЗОКОСМЕ И ВОДОЕМЕ
При использовании мезокосмов для моделирования в первую очередь следует решить задачу исследования степени подобия процессов в водоеме и в его модели, т.е. убедиться в функциональном подобии условий в водоеме и его модели - экспериментальной микроэкосистеме. По основным химико-биологическим параметрам (показателям) мезокосм был максимально приближен к материнской макросистеме. Он имел те же, что и в исходной экосистеме, структуру донных отложений, исходный химический состав воды и биосообщество. Общими для них были освещение, температура, давление, а также их градиенты и динамика.
Проверка соответствия параметров осуществлялась ранее [26] одновременным измерением ха
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.