Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим - София Романова

1.6 Факторы конечного водоема

1.6.1 Морфометрия

Исключительная мелководность и сложная морфометрия является отличительной особенностью бессточных озер аридных зон, к которым относится и оз. Балкаш. А.А. Турсунов [40] и Н.Б. Казангапова [41] приводят морфометрические характеристики некоторых бессточных озер Центральной Азии (таблица 1.1).

А.А. Турсунов считает, что эта особенность обусловлена общим генезисом озер: почти все они образовались вследствие накопления речного стока на дне больших котловин выдуваний. За время их существования котловины заполнялись твердым стоком впадающих рек. Очень сильные ветровые течения сглаживали дно водоемов, а береговые линии принимали ажурную форму. Кроме того, в середине почти всех озер сформированы острова или серия островов.

В настоящее время оз. Балкаш делится на 8 гидрохимических районов (плесов), проливом Сары-Есик оно делится на западную (4 плеса) мелководную и восточную более глубоководную (4 плеса) части. Второй плес является наиболее крупным со средней глубиной 3,4 м при ширине около 35 км, что на 4 порядка больше глубины. Максимальная глубина 26 м отмечена в Бурлитобинском заливе, куда реки давно не впадают. Пологие склоны котловины и малые глубины озера вызывают относительно быстрое изменение площади зеркала с изменением уровня воды (таблица 1.1, рисунок 1.4).

За счет интенсивного перемешивания и мелководности в озерах аридных зон, в том числе оз. Балкаш, почти нет стратификации скоростей течения воды, температур, компонентов химического состава, не могут проявляться такие явления как апвеллинг, термобар, процессы евтрофикации, сейши, характерные для глубоких озер гумидной зоны. Специальные расчеты показали, что логарифмический декремент затухания свободных колебаний для оз. Балкаш составляет 0,3, а для глубоководного оз. Байкал – на два порядка меньше – 0,006. Иными словами, если воды оз. Балкаш вывести из состояния равновесия, то примерно через три периода колебания уровень воды вернется в равновесное состояние. Для оз. Байкал на это потребуется не менее 170 – ти колебаний [36]. За такой большой срок колебания различных периодов могут накладываться друг на друга и образовывать относительно высокие и опасные волны – сейши.

Таблица 1.1 – Морфометрические характеристики бессточных озер Центральной Азии [1; 3; 38]

1.6.2 Динамика некоторых гидрологических характеристик озера Балкаш и водохранилищ – охладителей

Вследствие изменения климата уровни воды бессточных водоемов аридной зоны, в т.ч. оз. Балкаш, испытывают многолетние и вековые циклические колебания. Как показали исследования различных авторов [1; 24; 42; 43] средний многолетний уровень оз. Балкаш составляет 340,8 м, а за прошедший век – 341,0 м (таблица 1.2).

В 1990 – 2000 гг. горизонт в озере находился выше среднемноголетнего уровня, значит, прошедшее столетие можно считать многоводным. Самые низкие среднегодовые уровни отмечались в 1946 (340,7) и 1987 гг. (340,66 м), а максимальный среднегодовой уровень, 344,47 м, – в 1908 – 1910 гг. Таким образом, в 20 веке амплитуда колебаний среднегодовых уровней озера составила 381 см. Максимальная среднемноголетняя отметка уровня воды, равная 344,70 м абс., была определена [18] по меткам высоких вод 1908 – 1910 гг., а минимальная наблюдалась в 1986 г. (340,45 м абс.).

Абсолютное значение амплитуды колебания уровня (344,70 – 340,45=4,25) превышает 4,0 м.

Если проследить за ежемесячной динамикой уровня воды озера за 1998 – 2002 гг., то вырисовывается следующая картина (таблица 1.3). В 2002 г. уровень воды в оз. Балкаш по сравнению с 1998 г. поднялся на 80 см, что составляет около 20 см в год. Если в 1893 – 1908 гг. темп роста уровня воды составлял более 23 см в год, в 1953 – 1961 гг. – около 22 см, то нынешний темп не отстает, несмотря на водопотребление и водоотведение.

Таблица 1.2 – Изменение основных гидрологических характеристик озера Балкаш за отдельные периоды [19]

Таблица 1.3 – Изменение уровня воды оз. Балкаш за 1998 – 2002гг. (в см над «0» графика, 340 м абс.) [18]

В январе 2002 г. уровень воды равен 341,8 м, а в мае и июне достиг отметки 342,0 м. Такой уровень воды последний раз отмечался в 1975 г., т.е. в пятом году от начала спада. В 2004 г. уровень воды увеличился на 0,8 м и составил 342,6 м. Общий фон векового хода уровня оз. Балкаш определяется фазами подъема и спада внутривековых циклов [44]. Уровень воды оз. Балкаш определяется суммой его годовых приращений за ряд предшествующих лет, т.е. климатическими условиями предшествующего многолетнего периода.

Среднегодовые значения уровня за 1878-1931 гг. были приближенно восстановлены и уточнены А.Н. Жиркевичем и В.В. Голубцовым [45]. Тенденция изменения поверхностного притока и видимого испарения противоположно направлены, при этом коэффициент корреляции за 1937-1969 годы равен 0,59.

Интегрирование запасов воды в озере значительно увеличивает размах внутривековых колебаний уровня по сравнению с малыми тенденциями в изменении общего фона отдельных элементов водного баланса [24].

Авторы [46] считают, что потери стока в дельте р. Иле оказывают существенное влияние на водный баланс и колебания уровня озера. Так, за 59 лет (с 1911 по 1969 гг.) с поверхности дельты испарилось около 200 км3 воды, поэтому уровень озера снизился за эти годы на 133 см.

Следует учесть и тот факт, что динамика дельты р. Иле влияет на величину притока воды в озеро и колебания уровня. Так, с 1911 по 1946 гг. уровень озера снизился на 173 см за счет климатических факторов, а именно вследствие изменения разности между притоком воды и испарением с поверхности озера и осредненными потерями в дельте. В связи с наполнением Капшагайского водохранилища в 1970 г. оз. Балкаш недополучило в среднем 2,7 км3/год воды. Это значит, что из общей величины снижения уровня, 2,28 м, на долю данного водохранилища приходится 1,10 м. В 1937-1983 гг. норма испарения с ЗБ составила 997, для ВБ – 1015 мм/год [47].

Для бессточных озер Центральной Азии вообще, а для оз. Балкаш в частности, большое значение имеют ветровые течения, т.к. они вызывают петлеобразное перемещение частиц воды, которое обычно затухает на глубине. Такое перемещение приближается к нулю на глубине, равной половине длины волны. В результате такого действия ветровых волн в поверхностном слое образуется дрейфовое течение воды, образующее сгоны и нагоны. В глубинных слоях водоема образуется компенсационное противотечение, направленное против ветра. В достаточно глубоких водоемах их скорости пренебрежимо малы, но в мелководных водоемах становятся соизмеримыми с дрейфовыми течениями и играют весомую роль в процессах перемешивания водных масс.

На акватории оз. Балкаш практически ежедневно дуют ветры со скоростью 5 м/с, а наибольшие скорости достигают 7-8 м/с [48]. Такие ветры способствуют образованию волн высотой почти 1,0 м и длиной около 15 м (для внутренних водоемов крутизна ветровых волн, т.е. отношение их высоты к длине, составляет 1:15). Толщина активного слоя для такой волны составит 7,5 м, что значительно больше средней глубины большинства плесов этого озера. Такое же явление наблюдается и на других озерах рассматриваемой аридной зоны, причем здесь почти ежегодно бывают штормы со скоростью ветра 25-35 м/с, которые вызывают волны высотой до 3,0 м и длиной до 50 м.

А- план озера; Б- продольный разрез озера по З-В.

Рисунок 1.4 – Морфологические характеристики оз. Балкаш (по Ж. Достаю, [18])

Например, в оз. Чаны сильные течения в протоках и умеренные в открытых плесах бывают или чисто дрейфовыми, или градиентными, являющимися следствием вторичного проявления влекущего действия ветра. При продолжительном действии таких течений происходит отток воды из одного плеса в другой и интенсивный водообмен между соседними плесами, как это имеет место и в оз. Чаны [49].

По мнению профессора А.А. Турсунова «в случае мелководных водоемов аридной зоны, образуются своеобразные компенсационные ветровые течения, соизмеримые по скорости с дрейфовыми, которые занимают глубоководные части акватории, но направлены против ветра. Чем сильнее ветер, тем мощнее и больше по площади зона компенсационных течений. Дрейфовые и компенсационные течения образуют замкнутые вихревые образования (ринги), в центре которых создаются застойные зоны, где интенсивно происходит осаждение наиболее крупных наносов. Остатков растений и различных видов зообентоса. При устойчивых по направлению ветрах и сильных штормах на месте этих застойных зон могут образоваться осерёдки, острова и подводные мели (например, Досайская коса на оз. Балкаш)» [50].

Достаточно полные исследования ветровых течений на оз. Балкаш были проведены И.М. Мальковским на основании расчетов на двумерной математической модели и крупномасштабной физической модели озера [51]. Так, установлено, что ветровые течения локализованы по наиболее крупным плесам озера. Дрейфовые течения достигают почти во все участки изрезанного берега, создавая активное перемешивание вод большого числа заливов с водами плесов. Компенсационные же течения, направлены против ветра и находятся в середине относительно глубоких частей, обеспечивая водообмен между отдельными плесами озера и увеличивая разрушение дна глубоководных частей. Исследования синоптической ситуации за структурой поля ветровых течений показало, что уже к концу первых суток в Западном Балкаше доминировали поступательные движения воды по оси озера совместно с береговыми дрейфовыми течениями (скорость до 0,21 м/с) и центральным компенсационным течением (скорость до 0,09 м/с). Оказалось, что максимум скорости течения в самом узком месте озера, проливе Сары-Есик наступает через 15 часов и составляет 0,38 м/с. Третий гидрохимический район характеризуется четко выраженной антициклонической циркуляцией, диаметр которой составляет 2/3 ширины озера. В V и VIII гидрохимических районах, относящихся к Восточному Балкашу, выделяются крупномасштабные вихревые течения на фоне общих дрейфовых. Измерения показали, что взаимный обмен водными массами происходит между I и II, II и III, III и IV, VII и VIII гидрохимическими районами, а односторонний переток воды происходит из VI в VII, из V в VI и из IV в V районы озера. Такое явление как нагон отмечается в I, IV, VI и VIII районах озера.