Содержание к диссертации
Введение
1 Пресные озера: запасы воды, уровень трофии и происхождение
1.1 Запасы вод пресных озер различных регионов 13
1.2 Озера как результат взаимодействия рельефа и климата 17
1.3 Трофический статус озер и проблемы типизации водоемов 21
1.4 Генетические классификации и проблемы определения генезиса озерных котловин 30
2 Морфометрические особенности и эволюция озерных котловин
2.1 Основные морфометрические характеристики озер 43
2.2 База данных озер мира WORLDLAKE 56
2.3 Изменение морфометрических характеристик озерных котловин входе эволюции озер ледникового происхождения 60
2.4 Конечный этап эволюции озерной котловины - заболачивание озера 64
3 Происхождение и морфометрия озер в областях последнего оледенения (северо-запад России, север Польши, провинция Онтарио (Канада )
3.1 Физико-географические особенности северо-запада России, Польши, Онтарио 70
3.1.1 Северо-западный регион России 77
3.1.2 Польша 81
3.1.3 Провинция Онтарио (Канада) 84
3.2 Морфометрические характеристики озер северо-запада России, Польши, Онтарио и их статистический анализ 88
4 Экологические особенности озер в связи с их морфометрией
4.1 Гидрофизические свойства водных масс озер в зависимости от морфометрии озерных котловин 106
4.2 Проблема связи морфометрических особенностей озер и экологии гидробионтов 116
4.3 Влияние морфометрии озерных котловин на лимнические характеристики озер, их экологическое состояние и ход эволюции озер 124
4.4 Морфометрия озер и экологический статус водных экосистем в бассейне р. Илекса 130
4.5 Связь экологических и морфометрических показателей озер северо-запада России 146
Список использованных источников 162
- Трофический статус озер и проблемы типизации водоемов
- База данных озер мира WORLDLAKE
- Морфометрические характеристики озер северо-запада России, Польши, Онтарио и их статистический анализ
- Влияние морфометрии озерных котловин на лимнические характеристики озер, их экологическое состояние и ход эволюции озер
Введение к работе
В современных условиях в связи с глобальным ростом дефицита пресных природных вод особую важность приобретает проблема рационального использования, охраны и восстановления ресурсов озерного фонда. Озеро - водоем замедленного водообмена, не имеющий прямой связи с океаном, является частью гидрографической сети и участвует в общем круговороте воды. Исследование морфометрических особенностей озерных котловин, а так же определение зависимостей между морфометрическими параметрами озер необходимо для уточнения мировых запасов пресных вод и решения проблемы эффективного управления водными ресурсами озер. Озеро, как геосистема, являющаяся составной частью ландшафта, вместе со своим водосбором представляет собой сложную единую природную систему, в которой взаимодействуют гидрофизические, гидрохимические, гидробиологические и др. процессы.
Характер взаимосвязи между компонентами лимносистемы и окружающими ландшафтами определяет гидрологические и экологические особенности каждого из озер и направленность их развития. Озера различаются по происхождению своих котловин, по объему водной массы, по химическому составу вод и разнообразию населяющих их гидробионтов, по характеру донных отложений и условиям их накопления и другим параметрам. Озера являются расходно-накопительными системами и играют важную роль в круговороте вещества и энергии. Именно накопление вещества в озерах играет важнейшую роль в преобразовании озерных котловин и эволюции озерных геосистем. Г.Ю. Верещагин [1] отметил определяющую роль морфометрии и морфологии котловины озера в лимнических процессах. Развитием этого подхода к изучению внутриводоемных процессов занимались Э. Хатчинсон [2], Б.Б. Богословский [3], Л.Л Россолимо [4 - 6], О.Ф. Якушко [7 - 9], Л.Ф. Форш [10, 11], И.Н. Сорокин [12 - 14], Д.В. Севастьянов [15, 16] и др. Проблема в предложенной постановке приобретает особую актуальность в настоящее время, т.к. накоплена значительная информация об озерных котловинах и их генезисе. В связи с этим представляется важным и необходимым развитие и совершенствование оценок взаимосвязи морфометрических и эколимнологических характеристик водоемов.
Большое научное значение приобретает задача выявления закономерностей формирования озерных экосистем в зависимости от ландшафтных условий, а также проблемы перестройки водных экосистем в результате антропогенного воздействия на основе детального изучения процессов накопления вещества в озерах. Как отмечал Л.С. Берг [17], «ландшафты не есть нечто неизменное во времени..., понять данный ландшафт можно лишь тогда, когда известно, как он произошел и во что со временем превратился» (с. 21). Это утверждение в полной мере может быть отнесено и к природным озерным геосистемам, являющимся составной частью ландшафта. Исторический метод изучения окружающей среды объективно является необходимым инструментом географических исследований для познания динамики природных процессов. Палеолимнологические материалы, раскрывающие особенности истории озер и условий озерного осадконакопления способствуют пониманию современного состояния водных геосистем и тех изменений, которые произошли с формами озерных котловин. Учет этих важнейших факторов развития озер позволяет обоснованно оценить современное состояние озер и прогнозировать ход их дальнейшей эволюции с учетом изменений внешних условий и процессов, происходящих в самом озере. В настоящее время накоплен богатый опыт в изучении крупных озер. Установлены основные морфометрические и лимноэкологические характеристики крупнейших водоемов мира. Однако изученность большинства средних и малых озер планеты пока недостаточна. В тоже время, выявление региональных особенностей озер, число которых на Земле составляет несколько миллионов, очень трудоемко, поэтому требуется развитие новых подходов, с использованием дистанционных методов и статистической обработки имеющихся данных.
В диссертации приводится обзор современных представлений о происхождении озерных котловин и морфометрических особенностей озер. Рассматриваются проблемы выявления связей между морфометрическими особенностями озер и современным экологическим состоянием лимносистем. Приводятся результаты исследований автора в области выявления статистически значимых зависимостей между морфометрическими и лимноэкологическими параметрами водоемов.
Основная цель диссертационной работы заключается в исследовании современных морфометрических особенностей озерных котловин ледникового происхождения и определении связи этих особенностей с экологическим состоянием лимносистем. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие задачи:
• обобщение и анализ существующих генетических и биологических классификаций озер;
• сравнительно-географический анализ и выявление особенностей развития озерных котловин в различных природных зонах;
• сбор и стандартизация данных по различным озерным районам и выбор групп озер ледникового происхождения, развивающихся в сходных физико-географических условиях;
• нахождение статистически значимых вероятностных связей между отдельными морфометрическими и гидрофизическими характеристиками озер;
• выявление и анализ статистически значимых связей между морфометрическими характеристиками озер, биологической продуктивностью и трофическим статусом водоемов. В качестве объектов исследовании выбраны озера области распространения последнего покровного оледенения в трех регионах: северо-запад России, север Польши и провинция Онтарио (Канада). Фактический материал и методы исследований
Выбранные озерные районы характеризуются сходными историко-географическими и зонально-климатическими условиями развития и процессами озерного морфолитогенеза. В работе использована компьютерная база данных WORLDLAKE («Озера мира»), разрабатываемая в Институте озероведения РАН [18], в составлении которой автор принимала участие. База данных создается на основе литературных и фондовых материалов по географии, морфометрии, гидрологии, термике и трофическому статусу озер. В настоящее время база WORLDLAKE содержит обширные данные более чем по 46000 природным и 6000 искусственным озерам из 155 стран мира. Для указанных трех регионов из базы данных было отобрано около 4.5 тыс. озер ледникового происхождения.
Для выявления морфометрических связей были использованы методы математической статистики: а) расчет основных статистических параметров (среднее значение, дисперсия, диапазоны изменчивости и т.п.), б) нахождение и анализ линейных и нелинейных корреляционных связей и соответствующих уравнений регрессии, в) определение значимости выявленных эмпирических связей. При интерпретации выявленных зависимостей использован ландшафтно-гидрологический подход и сравнительно-географический метод. Научная новизна работы состоит в том, что:
а) Впервые выполнена статистическая обработка и анализ большого массива морфометрических и гидрологических параметров по озерам (около 4.5 тыс. объектов), имеющих близкий генезис;
б) Для равнинных озер ледникового происхождения гумидной зоны областей северо-запада России, севера Польши, провинции Онтарио (Канада), установлены значимые корреляционные связи между основными морфометрическими характеристиками;
в) Впервые для областей распространения последнего покровного оледенения Европы и Северной Америки предпринят анализ морфометрических характеристик озерных котловин и установлены связи этих характеристик с гидрологическими и эколимнологическими параметрами водоемов;
г) Для исследованных озер северо-запада России впервые выявлены значимые статистические связи между средними глубинами, гидрофизическими и метеорологическими характеристиками;
д) На примере озер Водлозерского Национального парка (Карелия) выявлены устойчивые статистические связи между морфометрией котловин и некоторыми гидорофизическими и гидробиологическими параметрами. Теоретическая значимость работы состоит в том, что выявление зависимостей между морфометрическими параметрами озер открывает пути совершенствования методов оценки ресурсов пресных вод на Земле, планирования и оптимизации использования природных вод. Определение критериев связей между качеством пресных вод в озерах и их морфометрическими характеристиками позволяет расширить масштабы геоэкологической оценки недостаточно изученных водоемов на основе их морфометрических данных.
Практическая значимость работы
В настоящее время установлено, что ландшафтные и морфометрические характеристики озер в определенной мере предопределяют экологические особенности водоемов, их современный трофический статус. Зная площадь, максимальную и среднюю глубины, можно моделировать форму котловины озера, по картографическим материалам - определить длину и изрезанность
береговой линии, озерность территории и ряд других параметров и их соотношений. Кроме того, используя методы дистанционного зондирования и аэрокосмической техники можно определить прозрачность, температуру воды, содержание хлорофилла и другие параметры водоемов в различные сезоны года [19].
Выполненные исследования являются первым этапом по практическому применению создаваемой в Институте озероведения РАН базы данных, на основе которых отрабатываются методики унификации, обработки и анализа имеющихся массивов для оценки современного состояния озерных водоемов. Проведенные расчеты позволяют выявить особенности формирования гидрофизического режима озер в зависимости от морфометрических характеристик и способствовать оценке экологического состояния водоемов.
Личный вклад автора заключаются в систематизации, обобщении и анализе большого массива морфометрических данных по озерам мира, выявлении статистически значимых связей между определенными параметрами озер. Автор принимал участие на этапах исследования от постановки задач и определения методов исследования до обсуждения и формулирования выводов. Определенное количество данных получено автором в совместных экспедиционных исследованиях кафедры физической и эволюционной географии Факультета географии и геоэкологии СПбГУ и лаборатории гидрологии Института озероведения РАН. Апробация работы и публикации
Материалы исследований автора были использованы при выполнении проекта № 2256 Программы "Университеты России", а также гранта РФФИ 01-05-65163.
Результаты диссертационной работы представлены в восьми публикациях автора. Основные положения работы доложены на трех международных конференциях: Ш-й Международной междисциплинарной конференции "Человек. Природа. Общество. Актуальные проблемы" (Санкт Петербург, 2001), П-й Международной научно-практической конференции "Туризм и региональное развитие" (Смоленск, 2002), IV-м Международном симпозиуме по проблемам Ладожского озера. (Великий Новгород, 2002). Материалы диссертации обсуждались на совместном заседании комиссий палеолимнологии и географии горных стран Русского географического общества. Работа доложена на совместном заседании кафедры физической и эволюционной географии и кафедры страноведения и международного туризма Факультета географии и геоэкологии СПбГУ.
В таблице 1 приведены основные обозначения и сокращения использованные в диссертации.
Автор считает своим приятным долгом поблагодарить за помощь и поддержку в выполнении данной работы профессора СПбГУ Д.В. Севастьянова и ведущего научного сотрудника Института озероведения д.г.н. СВ. Рянжина за возможность воспользоваться базой данных WORLDLAKE, д.г.н. М.А. Науменко (Институт озероведения РАН) за ценные научные консультации. Автор благодарит также коллег - участников экспедиций "Илекса 2000", "Кенозерье 2001" за помощь в получении натурных данных, сотрудников Института озероведения к.г.н. С.Г. Каретникова, В.В. Гузиватого, к.г.н. И.Н. Сорокина за поддержку, помощь и советы по теме диссертации. Особую благодарность за оказанную методическую помощь автор выражает д-ру Р. Лаугуст (Эстонская Академия наук).
Трофический статус озер и проблемы типизации водоемов
Определение трофического статуса озера - задача чрезвычайно сложная. Трофический тип водоема определяется показателями физической, химической и биологической природы. Трофический статус озера зависит от уровня первичной продукции и оценивается по многим критериям и их комплексам. Особо следует отметить проблему оценки трофического статуса сильнопроточных озер. Исследователи делают вывод о том, что характерные для эвтрофного водоема эффекты наблюдаются при превышении некоторого критического уровня - отношения концентрации биогенов к скорости потока воды. По этой причине необходимо учитывать проточность водоемов, при рассмотрении вопросов о концентрации биогенных веществ, приводящих к значительному росту водорослей [60]. В литературе приводится около 50 показателей, которые принято считать индикаторами уровня трофности: концентрация органического углерода, хлорофилл "а", биомасса фитопланктона, биомасса зоопланктона, отношение биомассы зоопланктона к биомассе фитопланктона, численность зоопланктона, прозрачность-воды др. [61,62].
Первые биологические классификации относятся к периоду с 1920 по 1930 гг. и связаны с именами А. Тинеманна и Е. Науманна [63, 64]. Классификация Тинеманна-Науманна построена с учетом зональных и азональлых признаков, получила в свое время широкое признание и оказала влияние па современную лимнологию. В основе выделенных типов озер лежит понятие трофности. Трофность является результатом проявления зональных и азональных особенностей, присущих каждому озеру. А. Тинеманн и Э. Науманн разделяют все озера на дистрофные, эвтрофные и олиготрофные. К дистрофпым относятся неглубокие, бедные азотом и фосфором водоемы с кислой реакцией воды и значительным содержанием гуминовых веществ. Эти особенности затрудняют развитие фитопланктона, а следовательно, резко снижают продуктивность. Такие водоемы характерны для тундровой и лесной природных зон. Эвтрофные, чаще всего неглубокие, с богатым минеральным питанием озера отличаются оптимальными условиями для развития планктонных организмов и относятся к высококормным и рыбопродуктивным. Распространены они главным образом в лесной и лесостепной зонах умеренного пояса. Наконец, олиготрофные озера с холодной прозрачной водой и слабым развитием планктона наиболее типичны для высокогорных областей. К этому же типу относятся наиболее крупные глубокие озера лесной зоны.
Классификация А. Тинеманна и Э. Науманна неоднократно подвергалась критике со стороны лимнологов, так как неполностью учитывала комплекс физико-географических условий как самих озерных водоемов, так и их водосборов. Кроме того, само понятие трофности не было достаточно обосновано качественными и количественными показателями. Первоначально это деление связывалось с обеспеченностью озер биогенными элементами. Классификация Тинеманна - Науманна не выявляет динамику явлений, обусловливающих развитие озер ледниковых ландшафтов от олиготрофии через эвтрофию к дистрофии. Эта классификация не является универсальной. Бесспорно, прав Л.Л. Россолимо [5], который писал, что эта типизация, будучи разработанной первоначально для европейских озер, расположенных в области распространения четвертичных оледенений, не всегда применима к озерам других областей и широт. Кроме того, продукционно-биологическая, типология естественно, не охватывает озера, в которых преобладают процессы химического превращения и накопления минеральных солей, образований железомарганцевых руд и т. д. Предложенное этими авторами деление озер на олиготрофные, мезотрофные, эвтрофные и дистрофные получило в настоящее время широкое распространение. Термины «олиготрофный», «эвтрофный», «дистрофный» часто встречаются в литературе. В настоящее время в основу подобной типизации озер положено определение уровня биологической продуктивности водоемов, соотношения продукционных и деструкционных процессов, которые можно выразить количественно. Так, в биологической классификации Г.Г. Винберг [65] при выделении типов озер понятию «трофичность» придает большое значение. Основой его классификации является количество первичной продукции, которая составляет первое звено биотического баланса водоема. Вместе с тем автор неоднократно подчеркивает роль климатического и морфометрического факторов при выделении типов озер. Сопоставляя многочисленные материалы по разным озерам Советского Союза, Г.Г. Винберг [65] разделяет озера по величине первичной продукции на четыре класса: 1) наиболее высокопродуктивные (политрофные) озера, валовая первичная продукция фитопланктона которых в летний период составляет от 7.5 до 10 гОг/м2 в сутки, или 2500-3500 ккал/м в год; 2) относительно мелководные гомотермные эвтрофные озера, расположенные среди культурных ландшафтов, с высокими величинами первичной продукции от 2.5 до 7.5 г Ог/м2 в сутки, или 1000-2500 ккал/м2 в год; 3) мезотрофные и вторичноолиготрофные озера с высокой прозрачностью воды и значительными глубинами. Первичная продукция таких озер колеблется в значительных пределах - от 1 до 7.5 гОг/м2 в сутки. Валовая первичная продукция за год составляет примерно 300-2500 ккал/м2; 4) малопродуктивные озера. К ним относятся мелководные дистрофиые озера с низкой активной реакцией (рН 7), а также глубокие прозрачные первич-ноолиготрофные озера. Последние имеют очень низкий показатель первичной продукции от 0.5 до 1 гС /м в сутки (менее 300 ккал/м в год).
При этом, за основу любой классификации озер некоторыми лимнологами предлагается брать несколько факторов, таких как морфометрия, трофия, продукция и минерализация [66]. Вопросы типизации и классификации озер до сих пор остаются наиболее актуальными в лимнологии, так как общепринятое деление не охватывает всего разнообразия озер. Рассмотрим причины возникновения различных экосистем озер. Допуская известную схематизацию, можно выделить следующие внешние факторы, оказывающие существенное влияние на направленность основных процессов в экосистеме - это влияние водосбора, характера внешнего водообмена, формы озерной котловины [5]. Водные экосистемы формируются под воздействием природной среды, структура которой подвержена четко выраженной зональной изменчивости. Зональные факторы включают климат, растительность, тип почвенного покрова. При изучении лимногенеза прежде всего выявляются зональные особенности, связанные с географическим размещением озер: зонально изменяются теплоэнергетические ресурсы озерных экосистем, а также размер годового стока -одного из основных компонентов пририродной среды, через который осуществляется связь озера с питающей его водосборной площадью. Отсюда зонален и водный баланс озер, пространственное распределение озер по этому показателю соответствует географической зональности [3]. Тип почвенного покрова оказывает значительное влияние на химический состав поверхностных вод, особенно на их минерализацию [67].
База данных озер мира WORLDLAKE
По современным оценкам на Земле 8 млн. озер с площадью зеркала 0.01 км . Однако батиметрические съемки проводились лишь примерно в 350 000-450 000 из них. Например, максимальная глубина, а, следовательно, и объем воды, известен лишь для 300 из 500 крупнейших ( 50км ) озер Канады. Похожая ситуация сложилась в России и многих других странах. Еще меньшее число озер мира (по оценкам С.В Рянжина, Т.Ю. Ульяновой [18] - 46000-50000 озер) подвергалось лимнологическим исследованиям. Единой базы данных по таким озерам не существует. Поэтому для исследования зональных и азональных закономерностей изменений термического и водного режимов озер, морфометрии озер, а также для оценки озерных водных ресурсов в глобальном, национальном и региональном масштабах в Институте озероведения РАН разрабатывается база данных "Озера мира" (GIS WORLDLAKE) [18]. В течение 1999-2002 гг. автор диссертации принимала участие в ее составлении. В настоящее время База данных (Excel файлы) содержит следующие сведения по более чем 46 тыс. естественным и 6000 искусственным "лимнологически исследованным" озерам мира: Географические. 1) название озера (включая местное и\или альтернативное) на русском, английском и латинском; 2) континент, страна, административный район и географический регион; 3) координаты, высота озера над уровнем моря и высота снеговой линии (для горных озер); Морфометрическиеі 1) происхождение озерной котловины (ледниковое, карстовое, тектоническое и т.д.); 2) тип озера (сточное\бессточное) и характер колебаний уровня (регулируемый\нет); 3) средняя и максимальная глубины, площадь, объем, длина и изрезанность береговой линии; 4) площадь водосбора и удельный водосбор; 5) доля площади островов в площади озера; Гидрологические: 1) диапазон годовых и межгодовых колебаний уровня; 2) среднегодовые компоненты водного баланса (осадки, испарение, приток и т.д.); 3) условный водообмен; 4) модуль стока; Метеорологические и климатологические: 1) среднегодовые и экстремальные в годовом цикле значения а) температуры воздуха; б) суммарной радиации, облачности, альбедо и поглощенной радиации; в) эффективного излучения, радиационного баланса, потоков тепла за счет испарения\конденсации, контактного теплообмена, притока\стока с реками и грунтовыми водами, таяния\образования льда; г) отношения Боуэна; д) суммарного теплового бюджета поверхности; 2) индекс аридности; 3) толщина льда и продолжительность ледостава; Гидрохимические и гидробиологические: 1) тип озера по солености; 2) средняя соленость и ее вертикальный градиент; 3) химический состав воды (для соленых озер); 4) рН; 5) среднегодовая и экстремальные в годовом цикле значения первичной продукции (г/см ) и хлорофилла.
Гидротермические: 1) среднегодовые и экстремальные в годовом цикле а) температуры поверхности воды и дна озера; б) теплозапасы и бюджеты тепла в озере и донных отложениях; в) экстремальные и среднегодовые потоки тепла на границах озеро - атмосфера и озеро - дно; 2) тип перемешивания (димиктическое, мономиктическое и т.д.) фактический и предсказываемый зональной термической моделью [105, 106]; 3) глубина сезонного термоклина и соответствующие значения, скорости и разгона ветра, глубины исчезновения диска Секки и интегрального коэффициента поглощения в воде; 4) временной промежуток между прохождением весеннего и осеннего термобара (для умеренных димиктических озер); Другие: 1) комментарии; 2) ссылки и источники данных. Натурные сведения для базы данных WORLDLAKE собирались из публикаций, глобальных, национальных и региональных каталогов и кадастров озер, общих лимнологических монографий, материалов международных и национальных конференций, из публикаций в журналах (за последние 40-50 лет), а также внутренних отчетов научно-исследовательских центров и персональных сообщений коллег. База литературных ссылок и источников HYDROMET для базы WORLDLAKE создана в стандартной программе WINRM-7 (Reference Manager for Windows). В настоящее время база содержит более 5300 ссылок снабженных комментариями, заметками, а также несколькими сотнями ключевых слов (keywords), облегчающих поиск информации.
Природные озера в базе WORLDLAKE. В настоящее время база данных имеет объем -130 Мб и содержит сведения по 46000 "лимнологически исследованным" природным озерам из более чем 150 стран. Для 16000 природных озер известно происхождение озерной котловины. Эти данные распределены следующим образом: ледниковые - 12500, речные - 1904, карстовые - 876, вулканические - 785, прибрежные лагуны - 775, тектонические - 744, ветровые - 323, и т.д.
Искусственные озера в базе WORLDLAKE. Хотя первоначально база WORLDLAKE конструировалась для изучения природных озер, в настоящее время она содержит также литературные данные по 6000 искусственным озерам (плотинные и наливные водохранилища, пруды, карьерные озера и др.) из 133 стран. По происхождению озерных котловин "лимнологически исследованные" искусственные озера в базе WORLDLAKE распределены следующим образом: 2785 - речные долинные запрудные водохранилища, 1040 - пруды, 698 - наливные водохранилища, 369 - карьерные озера и т.д. Полота в базе WORLDLAKE. В последнее время в базу WORLDLAKE включаются также данные по «лимнологически исследованным» болотам и «увлажненным территориям» (wetlands). Следует заметить, что, например, не все морфометрические характеристики применимые к озерам и выбранные для включения в базу WORLDLAKE применимы к болотам (например, средняя глубина, длина и изрезанность береговой линии и др.). Сейчас база содержит сведения по 332 болотам и увлажненным территориям из 42 стран, расположенным на всех континентах (исключая Антарктиду) [18].
Морфометрические характеристики озер северо-запада России, Польши, Онтарио и их статистический анализ
Исходные натурные данные. Послеледниковая история ландшафтов, сходство современных физико-географических условий, в частности рельеф и увлажненость территорий позволяют предполагать, что в основных морфометрических и гидрологических характеристиках ледниковых озер северо-запада России, равнинной части Польши и Онтарио должны быть общие особенности. Для выяснения таких особенностей в качестве очевидных морфометрических характеристик для анализа были выбраны рассмотренные в параграфе 2.1, длина (L), ширина (W), площадь зеркала (А), объем котловины (V), средняя (Havg) и максимальная (Нтах) глубина, различные соотношения этих характеристик, а также морфометрические показатели водосборного бассейна (см. обозначения в табл. 1). Однако общие закономерности, а также возможные различия характеристик можно выявить лишь из анализа статистических оценок (значений средних, диапазонов изменения, дисперсий, коэффициентов вариации и корреляции и др.) рассчитанных по репрезентативным выборкам натурных данных. Следует отметить, что подобный подход широко распространен в современной лимнологии. Поэтому из базы данных WORLDLAKE были сформированы выборки содержащие морфометрические данные по 1041, 2845 и 558 ледниковым озерам расположенным на северо-западе России, равнинной Польши и Онтарио соответственно. Отметим, что не для каждого из выбранных озер в базе WORLDLAKE имеется полный набор всех рассматриваемых морфометрических или гидрологических характеристик. Поэтому длины выборок (число точек) различны для различных характеристик.
Статистические оценки изменчивости характеристик. Рассчитанные статистические оценки показаны в табл. 3.2-3.4. Заметим, что коэфициент вариации представляет собой отношение значения среднеквадратического отклонения к среднему значению и характеризует степень изменсивости рассматриваемой характеристики относительно своего среднего значения. Кроме того, для оценки значимости различий средних значений здесь использован критерий Стыодента при уровне вероятности 95%. Рассмотрим полученные результаты. Средняя глубина озер северо-запада России составляет около 4 м, средняя площадь зеркала близка к 8 км , средний объем - около 0.1 км3. Близкие средние глубины (4.5 м), хотя и на порядок меньшие средние объемы (0.01 км3), за счет меньших средних площадей (0.9 км ), характерны для польских озер. «Канадские» ледниковые озера, при близкой к «российской» средней площади (6.8 км и 8 км соответственно), имеют заметно большие средние глубины (8.7 м) и, соответственно объемы котловин (0.3 км3). Примечательно также, что изменчивости значений средней глубины Havg относительно своих средних значений малы и близки для «российских», «польских» и «канадских» озер: значения коэффициента вариации 0.7; 0.7 и 0.9 соответственно (табл. 3.2-3.4). Интересно также, что средние значения максимальной глубины «российских», «польских» и «канадских» ледниковых озер близки: 10.2 м; 11.7 м и 11.7 м соответственно.
Обращает внимание поведение коэффициента "емкости" или "формы" Havs/Hmax. Для «российских» и «польских» ледниковых озер его значения меняются в широких, но близких друг к другу пределах: 0.1-0.8 и 0.1-0.9 соответственно, при средних значениях 0.5 и 0.4 соответственно (табл. 3.2, 3.3). Однако коэффициент формы котловины «канадских» ледниковых озер лежит в гораздо более узком интервале от 0.3 до 0.7 при среднем значении 0.4 (табл. 3.4). Таким образом, в первом приближении можно предположить, что рассмотренные ледниковые озера имеют «средние» формы котловин между конусом (Hav/Hmax=0.33) и параболоидом (Hav/Hmax=0.57). Кроме того, изменчивости коэффициентов «формы» относительно своих средних значений одинаково малы для озер расположенных на всех рассматриваемых территорий: коэффициенты вариации 0.2-0.3 (Табл. 3.2-3.4).
Представляющие интерес особенности обнаруживаются при анализе значений коэффициентов изрезанности береговой линии ShLD ледниковых озер (табл. 3.2-3.4). Прежде всего, необходимо подчеркнуть, что среди исследуемых озер встречаются круглые (ShLD=\). В среднем, «канадские» ледниковые имеют несколько более изрезанную форму (ShLD=2.\) по сравнению с «российскими» и «польскими» ледниковыми озерами. При этом озера не обнаруживают значительной изрезанности береговой линии: значения ShLD меняются как 1.0-5.7; 1.0-7.0 и 1.1-6.5 для «российских», «польских» и «канадских» ледниковых озер соответственно (табл. 3.2-3.4). Другой обнаруженной особенностью представляются неожиданно широкие диапазоны (более чем на 2-3 порядка величин) изменения значений удельного водосбора озера С/А. Например, для «российских» ледниковых озер его безразмерные значения меняются от 1.3 до 4600 (табл. 3.2). Однако, относительно средних по выборкам значений диапазоны изменчивости значений С/А не столь велики: коэффициенты вариации для всех рассмотренных ледниковых озер лежат в интервале 3.1-3.7 (табл. 3.2-3.4). На 2-3 порядка величин меняются также значения коэффициентов условного водообмена RT=V/0. Например, для «российских» ледниковых озер соответствующие значения меняются от примерно 10 дней до 39.5 лет, при общем среднем значении для северо-запада России равным 2.1 года (табл. 3.2). Такой же диапазон изменчивости характерен и для «канадских» ледниковых озер. Для «польских» ледниковых озер диапазон изменчивости условного водообмена заметно меньше, а его среднее значение заметно больше по сравнению с «российскими» и «канадскими» ледниковыми озерами (табл. 3.2-3.4).
Таким образом, в морфометрических и гидрологических характеристиках «российских», «польских» и «канадских» ледниковых озер обнаруживаются общие (статистически значимые) особенности. Озера имеют близкие средние значения максимальных глубин Нтах, коэффициентов «формы» котловин Hav Hmax и коэффициентов изрезанное береговой линии ShLD. Вместе с тем, заметны существенные (статистически значимые) различия. Так, например, «польские» ледниковые озера, в среднем, имеют заметно меньшие средние площади зеркал А и объемы котловин V, «канадские» - площади водосборов С и удельные водосборы С/А, а «российские» - коэффициенты условного водообмена RT. Корреляцирпиые связи характеристик. Для рассматриваемых морфометрических и гидрологических характеристик каждого из регионов были рассчитаны матрицы корреляционных коэффициентов линейной парной корреляции R. Соответствующие корреляционные матрицы показаны в табл. 3.5-3.7. Рассмотрим полученные результаты. Прежде всего отметим статистически значимые для всех регионов корреляции площадей и объемов озер (#=0.92-0.98). Поскольку объем озера определяется как V=A Havg (см. параграф 2.1), значения А и V статистически зависимы и столь высокая значимая положительная корреляция неудивительна. Заметим, однако, что рассчитанные регрессии V от А чрезвычайно полезны для практических целей, т.к. позволяют по сравнительно легко получаемой информации о площади зеркала озера (например, с использованием дистанционных аэро- или спутниковых методов) оценить объем его котловины. При этом положительные корреляции площади озера с его длиной L, шириной W и/или длиной береговой линии L (табл. 3.5-3.7) a priori тривиальны, поскольку чем шире и длиннее озеро, тем, в среднем, больше площадь его зеркала.
Влияние морфометрии озерных котловин на лимнические характеристики озер, их экологическое состояние и ход эволюции озер
Озерный водоем в пределах его бассейна служит базисом аккумуляции впадающих в него поверхностных и подземных вод, а также твердых продуктов плоскостного, линейного смыва и эоловой деятельности. В свою очередь в самом озере происходят сложные химические и биологические процессы, оказывающие существенное влияние на озерный седиментогенез. Вот почему с момента возникновения озеро становится местом приноса, формирования и накопления разнообразных осадков, входящих в состав донных отложений [163, 164]. Скорость их накопления, мощность, химический и механический состав в общем зависят от физико-географических условий бассейна и совокупности явлений, происходящих в самом водоеме. Морфометрия озерных котловин, т.е. их глубина, площадь, объем и др. является одним из факторов, определяющих направление эволюции и историю развития озер, влияет на происходящие в озерах процессы. С изменением формы котловин меняются гидрологический режим озер, термические условия. Термика и прозрачность определяют экологические условия в водоемах, в том числе условия фотосинтеза [2, 3, 161]. К числу современных факторов, оказывающих существенное влияние на осадконакопление, следует отнести и антропогенную деятельность.
Минеральные и органические вещества в озере распределяются на различных глубинах не только в зависимости от места их приноса и возникновения, но в значительной степени под влиянием различия их удельных весов и крупности частиц. Постепенно эти вещества покрываются более молодыми осадками, изолируются от непосредственного воздействия воды и превращаются в специфические новообразованные породы озерного происхождения. Последние нередко становятся полезными ископаемыми. К ним относятся озерные глины, пески, известняки, железо-марганцевые руды, сапропели (рис. 4.2). По способу образования обычно выделяют терригенный, хемогенный и биогенный типы донных отложений. В чистом виде они встречаются редко и название получают по преобладающему источнику. Терригенные осадки мобилизуются в бассейн седиментации процессом абразии берегов, поверхностным и подземным стоком, ветровой деятельностью. Стабилизация крупных (1-0.25 мм) фракций в основном песчаные осадки. Наиболее распространены здесь песчаные частицы различной крупности. Законы их дифференциации и размещения тесно связаны со строением озерной котловины (особенностями конфигурации береговой отмели, размещением глубин, развитием прибрежной растительности), а также с преобладающим направлением ветров и характером динамических процессов в водной массе озера. Транспортированные в водоем минеральные частицы варьируют от крупных обломков до мелких глинистых и пелитовых частиц. Попав в озеро, они претерпевают ряд механических и химических изменений: растворяются, истираются, наконец, механически перераспределяются в горизонтальном и вертикальном направлениях. Подобно прибрежным отложениям морских побережий, наиболее грубые кластогенные осадки в озерах скапливаются на границе воды и суши, в зоне наибольшей силы прибойной волны. Глубже величина частиц уменьшается, причем явное преимущество получают песчаные осадки. На границе с сублиторалью к ним примешиваются алевритовые частицы. Последних становится все больше, особенно при небольших уклонах дна. Нередко здесь появляются глинистые и илистые частицы. Однако такая «классическая» дифференциация часто нарушается, и та или иная фракция выпадает или перемещается в плане [8].
Увеличение фосфорной нагрузки приводит к эвтрофированию озер, которое характеризуется накоплением в них автохтонного органического вещества. Донные отложения - продукт процессов самоочищения, происходящих в водной массе. При увеличении поступления в нее взвешенного органического вещества и соединений фосфора возрастает удаление их на дно. Основным процессом трансформации органического вещества в донных отложениях является его разрушение или деструкция, величина которой растет с увеличением продуктивности водоема. В процессе разрушения органического вещества освобождаются связанные в нем соединения, в том числе - соединения фосфора. От того, где происходит деструкция органического вещества - на поверхности дна или в слое донных отложений (а значит, от скорости осадконакопления) зависит дальнейшая судьба соединений фосфора. Если деструкция органического вещества происходит на непрерывно обновляющейся поверхности дна, то часть освобождаемого при этом фосфора поступает в придонную воду, а часть поглощается (сорбируется) донными отложениями. В данном случае величина потока фосфора со дна в воду определяется скоростью седиментации и разрушения автохтонного органического вещества (при прочих равных условиях) и мало зависит от окислительно-восстановительных условий среды. Большое значение при этом приобретает глубина водоема, объем водной массы и водообменность.
При деструкции органического вещества происходящей в слое отложений, расположенном, на некотором расстоянии от поверхности дна фосфор накапливается в поровом растворе и твердой фазе отложений, и оттуда удаляется в воду. В этом случае величина потока фосфора определяется концентрацией фосфатов в поровом растворе и вблизи поверхности дна. Чем меньше глубина водоема, тем интенсивнее влияние потока фосфора на биологические процессы в водоеме. М.В. Мартынова [166] делает вывод о том, что с ростом трофического уровня водоема седиментация органического вещества и его аэробная деструкция на дне возрастают и вследствие этого увеличивается и поток фосфора со дна в воду (в аэробных условиях). Это увеличение происходит не совсем пропорционально росту деструкции органического вещества, т.к. зависит от физико-химических свойств донных отложений. Увеличение потока фосфора со дна прямо связано с накоплением в донных отложениях автохтонного органического вещества. При этом определяющую роль играет содержание органического вещества в отложениях, а также глубина, емкость и форма озерной котловины. При крутых уклонах дна и наличии глубоководных ям органические илы перемещаются в понижения и площадь контакта их с водной массой снижается.
