Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Сгонно-нагонные явления, как фактор проявления негативного воздействия вод 9
1.1. Ущербы от сгонно-нагонных явлений 10
ГЛАВА 2. Физико-географические условия и общая характеристика сгонно-нагонных явлений рассматриваемых водоемов 17
2.1. Каспийское море 17
2.2. Азовское море . 27
2.3. Аральское море 34
2.4. Ладожское озеро 40
2.5. Онежское озеро 42
2.6. Озеро Балхаш 46
2.7. Озеро Гурон 52
ГЛАВА 3. Статистические характеристики сгонно-нагонных колебаний 54
3.1. Стационарность сгонно-нагонных колебаний 55
3.2 Каспийское море 62
3.3. Азовское море 74
3.4. Аральское море 79
3.5. Ладожское озеро 84
3.6. Онежское озеро 87
3.7. Озеро Балхаш 92
3.8. Озеро Гурон 94
ГЛАВА 4. Предлагаемый статистический метод расчета 100
Заключение 113
Список литературы 116
Введение к работе
Сгонно-нагонные явления - непериодические изменения уровня воды у берегов водоема (моря, озера, водохранилища) под воздействием ветра и неравномерности атмосферного давления. Ветер вызывает перемещение поверхностного слоя воды, что сказывается на положении уровня. Воздух, движущийся над водной поверхностью, вследствие трения увлекает за собой частицы воды. Движение частиц поверхности передается в глубину. В результате приходит в движение слой воды толщиной в несколько десятков метров. Повышение давления на 100 Па вызывает понижение уровня моря приблизительно на 1 см (при понижении давления картина обратная), т. е. уровень моря действует подобно «обратному барометру». Циклоны, перемещающиеся над поверхностью моря, возбуждают систему длинных волн, влияние которых на уровень моря может значительно превосходить суммарное воздействие ветра и атмосферного давления. У берега сгоны и нагоны воды зависят от взаимной ориентации направления ветра и береговой линии. Наибольшие сгоны и нагоны происходят у берегов с пологим подводным склоном, в длинных, постепенно сужающихся заливах, в узких проливах ив устьях рек (пролив Ла-Манш, залив Таганрогский, Финский, Обская губа и др.). В таких местах изменения уровня моря вследствие сгонов и нагонов достигают 5 м. Сильные наводнения, обусловленные нагонами вод с моря, известны на побережьях Нидерландов, Бельгии, Великобритании, в устьях Невы, Темзы и др. Скорость изменения уровня моря при значительных сгонах и нагонах достигает десятков сантиметров в час, а продолжительность явления колеблется от нескольких часов до 2-3 суток.
Исследования сгонно-нагоных колебаний уровня в устьях рек и проточных водоемов имеют важное практическое значение и им посвящено большое количество работ. Попытки объяснения непериодических колебаний уровня предпринимались в нашей стране еще в XIX веке в процессе изучения невских наводнений. Разработкой методов прогнозов непериодических колебаний уровня моря начали заниматься с конца; 30-х годов XX века. В первых работах рассматривались сгонно-нагонные колебания уровня в непосредственной связи с действием местного ветра, минуя промежуточные звенья (влияние рельефа дна, глубины, характер и интенсивность прибрежной циркуляции и пр.). В результате этих исследований были построены прогностические уравнения и графики связи (Кудрявая К.И., Иванова Е.Ф. и др.). Так как для большинства районов местный ветер не является основной причиной колебания уровня, Марютин Т.П. в 1941 г. преложил метод прогноза уровня, основанный на использовании атмосферного давления. Основные идеи градиентного метода были использованы в дальнейших исследованиях
для южных и дальневосточных морей (Каракаш А.И., Кан СИ.) и для арктических морей (Корт В.Г.), моря Лаптевых (Мустафин Н.В.). В начале 60-х годов XX в. Шереметевская О.И. предложила вести учет атмосферного давления при прогнозе уровня в виде суммы ряда по полиномам Чебышева. Предложенная методика применяется в оперативной практике на Каспийском и Балтийском морях. Важным шагом вперед в исследованиях непериодических колебаний уровня и выявлении его связи с метеорологическими факторами является использование статистических методов анализа линейных систем. Такого рода исследования проведены Алексеевым Г.В. (1969 г.) для некоторых пунктов арктических морей. В Гидрометцентре Овсиенко С.Н., Рыбаком Б.Х. и Гетманом И.Д. разработаны численные методы прогноза штормовых нагонов для Белого, Балтийского, Черного, Азовского и Каспийского морей, которые базируются на численном интегрировании уравнений мелкой воды и различаются между собой способами учета донного трения, используемой информацией и методом аппроксимации. Также проблемой исследования сгонов и нагонов в устьях рек занимались Михайлов В.Н., Скриптунов Н.А. и другие.
Меньшее число работ посвящено проблеме.изучения сгонно-нагонных явлений на внутренних водоемах и озерах. Тем не менее, последствия проявления этих процессов на них не менее важны (например, на Каспийском море в прошлом наблюдались нагоны более 4 м). Актуальность данной работы постоянно растет в связи с интенсивным освоением побережья внутренних водоемов.
Из-за отсутствия длительных, охватывающих десятилетия, непрерывных инструментальных наблюдений за сгонно-нагонными колебаниями значения. максимальных высот сгонов и нагонов находят, как правило, расчетным путем. В нашей стране и за рубежом применяются следующие группы методов: статистический анализ регулярных инструментальных измерений и судовых наблюдений; расчет величин сгонов и нагонов по архиву синоптических карт; статистическое моделирование экстремальных штормов методом Монте-Карло; пересчет климатических функций распределения скоростей ветра в соответствующие функции распределения высот сгонов и нагонов.
Во многих случаях при рассмотрении сгонно-нагонных явлений ограничиваются анализом материалов по отдельным пунктам или нескольким пунктам того или иного водного объекта. К настоящему времени накопилось значительное количество материалов, позволяющих перейти к более полному обобщению характеристик режима сгонно-нагонных явлений. В данной работе только по Каспию число пунктов наблюдений достигает 22, а средняя длительность составляет 52 года. Длительность имеющихся наблюдений составляет в среднем на Азовском море - 84 года, на Аральское море - 38
лет, на Онежском озере - 30 лет, на Балхаше - 35, на Ладожском оз. и на Гуроне - 27 лет. Так как по некоторым озерам длительность наблюдений не превышает 30 лет, то по этим водоемам результаты можно рассматривать как предварительные. В работе для анализа были выбраны внутренние водоемы, так как они не подвержены приливно-отливным колебаниям.
Количественное описание сгонно-нагонных колебаний уровня можно осуществлять двумя путями: с помощью физико-математических моделей или результатов статистической обработки данных многолетних наблюдений за уровнями на водомерных станциях и постах. Некоторые задачи (например оценка.изменения режима колебаний. уровня при трансформации побуждающих процессов, в частности синоптической ситуации, или при изменениях фонового уровня водоема под воздействием антропогенных нарушений его водного баланса) могут решаться только физико-математическими методами. Особо важное значение эти методы приобретают при определения величин нагонов и стонов на участках побережья, для которых данные наблюдения либо отсутствуют, либо имеют малую длительность; при проектировании сооружений на морской акватории (например, связанных с нефтедобычей), а также при расчете частей акваторий (например - намечаемых к ограждению).
С практической точки зрения, часто бывает важным оценить вероятность воздействия уровня моря на тот или иной хозяйственный объект, расположенный в прибрежно-шельфовой зоне. Здесь, учитывая наличие длительных рядов наблюдений, более хороший результат может обеспечить использование статистического анализа материалов наблюдений и стохастических моделей исследуемых процессов. Часто такое воздействие (затопление, подтопление объектов, осушка) приводит к нанесению ущербов для окружающей среды.
Дело в том, что высота нагона (сгона) заданной вероятности может формироваться при различных сочетаниях скорости, направления и продолжительности ветра. Для корректной; композиции указанных факторов нужна достоверная информация о типах распределения вероятностей и статистических параметров (включая характеристики взаимной корреляции) всех факторов, формирующих синоптическую ситуацию, ее изменчивость и т. п.
Без статистической информации о вероятностях тех или иных сгонно-нагонных изменениях уровня невозможно проектирование инженерных объектов, связанных с выдающимися уровнями воды. Информация о больших сгонах необходима также в связи с поддержанием судоходных глубин у пристаней и на морских подводящих каналах.
Следует отметить еще один пример, когда использованию физико-математических моделей не может быть противопоставлен какой либо альтернативный подход, -получение данных о надвигающихся опасных изменениях уровня для оперативного оповещения об этом граждан и организаций.
Несмотря на научную и практическую значимость исследований сгонно-нагонных колебаний уровня специальные монографии единичны. Большая часть работ посвящена гидродинамическим исследованиям. Наиболее известные работы в этой области принадлежат Скриптунову Н.А. [44-46], Герману В.Х. и Левикову СП. [10], Герштанскому Н. Д. [11,12], Бортнику В.Н. [7,8], Филиппову Ю.Г. [51], Зильберштейну О.И. и Сафронову Г.В. [21], Ван Данцигу Д. [54], Вемельсфельдеру П. [58], Леннону Г. [55], Саутону С. [57] и другим. Цель и задачи исследования. ІЦель исследования - разработка методики вероятностных расчетов сгонно-нагонных | колебаний уровня внутренних водоемов.
Задачи исследования:
На основе анализа рядов наблюдений установить обеспеченности экстремальных сгонно-нагонных уровней;
Установить статистические параметры «выдающихся» сгонов и нагонов;
Оценить статистическую однородность наблюдений на разных пунктах наблюдений одного водоема;
Исследовать вероятностные свойства рядов наблюдений сгонно-нагонных уровней (математическое ожидание, изменчивость, корреляцию и пр.)
Научная новизна.
На основе массового анализа материалов наблюдений за сгонно-нагонными. изменениями уровня на побережьях внутренних водоемов установлены статистические зависимости рядов наблюдений сгонно-нагонных уровней (обеспеченность, изменчивость, однородность).
Установлены статистические закономерности экстремальных сгонно-нагонных уровней (изменчивость, коррелированность наблюдений на разных постах).
На водоемах типа Каспийского моря с большим числом наблюдательных станций, при значительной длительности наблюдений на отдельных пунктах обнаружена неоднородность наблюдений, что требует специфической обработки материалов. В результате изменяются расчетные величины сгонно-нагонных отметок уровней редкой повторяемости.
Практическая значимость
Предлагается обобщенная зависимость для определения экстремальных уровней заданной обеспеченности в зависимости от максимальных наблюденных. Эта методика окажется крайне полезной при расчетах «выдающихся» нагонов на внутренних водоемах. Защищаемые положения
Показано, что в различных точках побережья сгонно-нагонные уровни практически не связаны между собой.
Колебания экстремальных годовых сгонно-нагонных уровней характеризуются изменчивостью Cv~0,3
Последовательности годовых экстремумов сгонно-нагонных уровней не коррелированны. Связь между последовательными годовыми сгонами и нагонами отсутствует, а между месячными эти связи могут иметь место.
При устойчивом фоновом уровне моря режим сгонно-нагонных колебаний практически стационарен. Начиная с середины 30-х годов прошлого века, при понижении уровня Каспийского моря зафиксировано повышение на нем сгонно-нагонных экстремумов.
На отдельных пунктах наблюдений изредка фиксируются экстремумы до 2-3 раз превышающие прочие члены ряда. Такие ряды нельзя рассматривать как однородные. На Каспийском, Азовском и Аральском морях, а также на озерах Балхаш и Гурон
зависимость hHmiX/hH от обеспеченности (р) для определения расчетных уровней
заданной обеспеченности близка к единой. Для указанных выше водоемов на защиту
выносится единая зависимость для определения экстремальных сгонно-нагонных
положений уровня заданной обеспеченности.
Апробация работы и публикации.
По теме диссертации опубликовано: 1 статья, подглава в книге «Актуальные проблемы водообеспечения», тезисы и доклад.
Основные положения диссертационной работы докладывались на Третьей Иранско-Российской конференции «Сельское хозяйство и природные ресурсы» (Москва, 2002), на Международной научной конференции «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование» (Москва, 2003), на семинаре секции гидрофизики ИВП РАН, на семинарах лаборатории поверхностных вод ИВП РАН.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 99-05-65525 «Математические модели гидрометеорологических процессов и применение этих моделей в научных и прикладных целях».
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 118 страниц текста и включает в себя 29 рисунков, 35 таблиц и список литературы, состоящий из 58 наименований.
Данная работа выполнена в Институте водных проблем РАН. Научным руководителем настоящей работы является проф., доктор технических наук Д.Я. Раткович, которому автор выражает благодарность за ценные рекомендации и советы.
Автор выражает благодарность д.т.н. Асарину А.Е., к.т.н. Фролову А.В., д.ф.-м.н. Веницианову Е.В., д.т.н. Дебольскому В.К. за научное консультирование, а также Никоновой Р.Е. за предоставленные материалы.
Азовское море
Азовское море расположено на юге европейской части России между 4517 и 4717; с. ш. и 3449 и 3918 в. д. Соединяется с Черным морем мелководным Керченским проливом. Граница между морями проходит по линии м. Такиль - м. Панагия в Керченском проливе. Площадь поверхности воды 39 тыс. км2, средняя глубина 7 м, максимальная -13 м. Объем воды 290 км3. Побережье Азовского моря сравнительно однообразно. Ровный северный берег, высотой около 50 м, обрывистый, и пересечен балками. Все его акватории защищены от ветров и волнения. Западный берег моря представляет собой низкую и узкую песчаную косу Арабатская Стрелка, которая отделяет залив Сиваш от Азовского моря. Сиваш -обширная мелководная лагуна с очень изрезанной линией берега. В результате испарения соленость воды в ней к концу лета достигает перенасыщения. Южный берег образуют северные стороны Керченского и Таманского полуостровов. Керченский берег более расчленен, в него вдаются два залива: Арабатский и Казантипский. Таманский берег горист. В него вдается широко открытый Темрюкский залив, в вершину которого впадает р. Кубань. Юго-западный берег залива преимущественно высокий и местами обрывистый, южный и восточный берега низменны. Восточное побережье моря к югу от Бейсугского лимана представляет собой обширные плавни с большим количеством лиманов, соединяющихся между собой сложной сетью проток дельты Кубани. Северо-восточный угол моря вдается в сушу на 140 км, образуя самый большой залив Азовского моря - Таганрогский. Высокие и обрывистые северный и южный берега залива прорезаны оврагами и балками. От обоих берегов выступают косы. В южный берег вдается мелководный! Ейский лиман, у входа в который лежат образовавшиеся в результате намыва Песчаные острова. Низкий берег вершины залива представляет собой дельту р. Дон. Крупных островов в Азовском море нет. Имеются лишь небольшие низкие прибрежные острова. Дно центральной части моря ровное и плоское с глубинами 12-13 м. Северный берег имеет небольшие глубины: изобата 5 м проходит от него на расстоянии от 0,5 до 10 км. Глубины в Таганрогском заливе постепенно уменьшаются от 9-10 м на входе в залив до 5 м и менее в его вершине. Берега залива опоясаны отмелями с глубинами менее 5 м, шириной до 10, а местами до 25 км. Восточный берег окаймлен отмелью с глубинами менее 5 м. В южной части берега до Ясенского залива она имеет небольшую ширину, но от залива до Долгой косы, что у входа в Таганрогский залив, отмель простирается отберега на расстояние до 13 км, а у основания этой косы - на 27 км. Южный и западный берега приглубые. Во внешней части трех южных заливов глубина 9-Ю м. В Темрюкском заливе наблюдаются грязевые вулканы.
Благодаря небольшим размерам и замкнутости Азовского моря, его климат существенно подвержен влиянию окружающих пространств суши и имеет континентальные черты, из которых наиболее характерна большая разность температуры зимы и лета. Средняя годовая температура на севере моря 9 С, на юге 11 С. Самые низкие температуры наблюдаются в северной части Таганрогского залива, самые высокие - вдоль южного побережья и в Керченском проливе.
Вторжение холодного воздуха умеренных широт зимою, обязанное действию отрога азиатского максимума (сибирского антициклона), сопровождается северовосточными и восточными ветрами, нередко достигающими штормовой силы (15 м/с и более), а иногда и сильными морозами. Зимние штормы бывают продолжительными, охватывают всю или значительную площадь моря. При ослаблении отрога азиатского максимума вступает в действие средиземноморский зимний циклон, который приносит теплые, иногда интенсивные юго-западные ветры.
Весной учащаются средиземноморские циклоны, приносящие юго-западные и западные ветры. В это время большей частью стоит ясная погода. Во второй половине сезона температура воздуха на побережье становится выше, чем в центральной части моря.
Летом на Азовское море распространяется влияние азорского максимума. Стоит очень теплая и ясная погода. Летом штормы часто носят шквалистый характер и сопровождаются грозами и ливнями. Туманы редки. В жаркие дни при развитии мощных кучевых облаков, особенно в южной и юго-восточной частях моря, образуются непродолжительные, но сильные смерчи.
Осенью на смену отрогу азорского максимума приходит отрог азиатского максимума. В первой половине сезона погода еще сохраняется теплой и ясной. Во второй половине сезона происходит перестройка погоды к зимним условиям.
Во все сезоны года над Азовским морем преобладают слабые и умеренные ветры. Повторяемость ветров со скоростью менее 6 м/с составляет 70%, повторяемость штилей -3% зимой и около 5 % в остальные сезоны. Ветры со скоростью более 14 м/с имеют повторяемость менее 1 %, со скоростью более 20 м/с - 0,1 %. В центральной части моря ветер со скоростью более 30 м/с может наблюдаться 1 раз в 15 лет и со скоростью более 40 м/с 1 раз в 50 лет. Такие ветры возникают в зимний период. Около 70 % штормовимеют продолжительность более 6 ч. Наибольшая наблюденная продолжительность шторма в теплое время года - 2 сут, в холодное - 9 сут.
В осенне-зимний период над морем и побережьем ветры со скоростью более 16 м/с чаще всего восточных румбов. Летом преобладают сильные западные ветры, но это преобладание выражено не так резко, а на юге моря и в Керченском проливе сравнительно часты сильные ветры южных направлений. В теплое время года почти на всем побережье наблюдаются бризы.
Осадки по побережью моря распределяются неравномерно. На восточном побережье выпадает в среднем около 500 мм в год, на западном - около 330 мм. В отдельные дождливые годы осадков выпадает в 3-4 раза больше нормы, а в засушливые -в 3-4 раза меньше. Наибольшее среднее месячное количество осадков (45-60 мм) выпадает летом, в остальные сезоны оно составляет 20-40 мм. Во время сильных летних ливней в отдельных пунктах суточное количество осадков достигает 100-200 мм.
Число дней со снежным покровом в среднем составляет 60 на севере и 20 на юге.Основную роль в формировании гидрологического режима Азовского моря играют климатические факторы, водообмен с Черным морем и материковый сток. Существенно влияют мелководность моря и его небольшие размеры.
Две крупные реки Дон и Кубань приносят более 90% суммарного стока. Это соответствует 1/10 объема моря. Наибольшее количество воды - свыше 60% - поступает из Дона, примерно 30% приносит Кубань. Ежегодно из Азовского моря в Черное в среднем вытекает 49 км3 воды и поступает из Черного моря в Азовское 35 км3. Водообмен с Сивашом характеризуется стоком из Азовского моря в залив 1,5 км /год, и притоком из залива в море 0,3 км3/год.
Колебания речного стока, внешнего водообмена, испарения и осадков, с одной стороны, а с другой - воздействие ветров, приводят к колебаниям уровня моря различного масштаба времени.
Средний многолетний уровень Азовского моря на 30 см ниже нуля Кронштадтского футштока. Межгодовые изменения уровня, связанные с колебаниями количества воды в море, составляют в среднем 7 см. Наибольшего значения средний уровень достиг в 1941 г. (выше нормы на 18 см), а наименьшего в 1949 г. (ниже нормы на 16 см).
Колебания уровня от сезона к сезону зависят в основном от сезонного хода речного стока. В теплое время года уровень выше, в холодное - ниже. По осредненным за многолетний период данным, разность между положениями уровня в июне (к этому времени успевают распространиться по всей площади моря паводковые воды) и в ноябре
Ладожское озеро
По площади водной поверхности, равной 18400 км2, занимает первое место в Европе, а среди озер СНГ - четвертое место, уступая Каспийскому и Аральскому морям и Байкалу. Ладожское озеро собирает воды с обширного бассейна площадью в 276 тыс. км2, куда входят бассейны рек Вуоксы с оз. Сайма, Свири с Онежским озером и Волхова с оз. Ильмень. Из озера вытекает Нева, являющаяся короткой, но мощной рекой, соединяющей его с Балтийским морем. Превышение уровня Ладожского озера над уровнем Балтийского моря составляет в среднем 4.3 м. В период нагонов воды со стороны Финского залива, когда подъем уровня в устье Невы достигает 4 м, подпор распространяется почти до самого озера. Котловина Ладожского озера представляет собой сбросовую впадину, дно которой расположено ниже уровня моря. В четвертичный период она подвергалась действию оледенения, причем наиболее значительные изменения произошли в северной части, где ледником были выработаны многочисленные узкие заливы. Котловина озера довольно четко делится на две части: северную - более глубокую (до 225 м), с неровным дном, изрытым многочисленными желобами и ямами, и южную - с глубинами, не превосходящими 40 м, и ровным дном. Емкость котловины около 900 км3. Северный берег озера высокий, скалистый, изрезанный глубоко вдающимися в сушу заливами. Южный берег низкий и пологий; он образует обширные заливы, носящие название губ (Шлиссельбургская, Свирская и Волховская губы). Острова, числом до 500, расположены главным образом в северной части озера; наибольшим из них является о. Валаам. В западной части озера расположен о. Корневец. В южной половине встречаются лишь небольшие островки - мели. К их числу относится о. Сухо, представляющий собой небольшой искусственный островок размером примерно 50 50 м, на котором расположены маяк и гидрометеорологическая станция. Уровень озера в течение года колеблется в пределах 50-70 см. Многолетняя амплитуда колебания уровня достигает 2,9 м. Наивысший уровень отмечается в июне. На озере часто наблюдается волнение; высота волны достигает 2 м и более. Течения в Ладожском озере преимущественно ветровые (дрейфовые). В Волховской, Свирской и других губах отмечаются более или менее постоянные течения, вызываемые притоком речных вод. Термический режим озера своеобразен. Его южная часть в летние периоды очень сильно прогревается, причем температура воды у берегов достигает 24 С, а в центральной части - до 18-20 С. Северная глубоководная часть водоема менее прогревается, поэтому температура воды на поверхности не превышает 15-17 С. На глубине 10-15 м от поверхности воды расположен слой скачка, т. е. слой резкого понижения температуры воды. На глубине 15-18 м температура летом составляет 4-4,5 С, в придонных слоях зимой она понижается до 1-2 С. Осенью озеро медленно остывает. В ноябре замерзают его мелководные заливы, затем появляется береговой припай, который, расширяясь, захватывает открытую часть озера. Процесс замерзания озера затягивается до января. Центральная, наиболее глубоководная часть замерзает в январе-феврале, и то лишь в суровые зимы. Очищение озера от льда происходит значительно позднее по (сравнению с реками, обычно лед держится до первой половины мая.
Ладожское озеро регулирует сток Невы и имеет большое транспортное значение; оно является важным звеном в системе Беломорско-Балтайского и Волго-Балтийского водных путей. Вдоль его южного побережья для безопасности плавания проложены два канала: Староладожский, начатый постройкой еще при Петре I (1719-1731 гг.), и параллельный ему, более глубокий Ново-Ладожский, прорытый в 1861-1866 гг. при реконструкции Мариинской системы [47]. Общая характеристика сгонно-нагонных явлений Колебания уровня воды на Ладоге часто зависят от ветра. Сильный ветер постоянного направления нагоняет воду в заливы и бухты, отчего уровень в них начинает быстро повышаться. В это же время на противоположном берегу происходит сгон воды, сопровождающийся понижением уровня. У скалистого северного берега из-за больших глубин нагонные явления развиты слабее, чем в мелководных южных заливах. Согласно [10] произведенные расчеты показали, что для различных районов озера существует определенная зависимость между величиной нагона и силой ветра. Ветер, дующий со скоростью 5 метров в секунду, может вызвать подъем уровня на 8-Ю сантиметров у южных берегов и на 5-6 сантиметров - у северных. Зато ветер силой в 15 метров способен поднять уровень воды в южных губах на 90 сантиметров. Правда, такие нагоны бывают исключительно редко, но все же бывают. Так, в ночь с 5 на 6 июля 1929 года над озером разыгрался шторм такой силы, даже старожилы не могли припомнить что-нибудь подобное. За несколько часов уровень воды у деревни Огорожно, близ устья реки Свири, поднялся на 140-150 сантиметров. Огромные волны накатывались на берег, ломая деревья и сдвигая прибрежные камни «во много пудов весом». Еще долгое время вдоль берега на большом расстоянии от уреза воды лежали бревна, обломки деревьев и пучки водных растений, выброшенные волной во время шторма [27]. Величина сгонно-нагонных колебаний уровня зависит и от силы ветра и от продолжительности его действия, а ветровой режим над озером весьма изменчив. Ветры, скорость которых не превышает 5 м/сек. (а таких в году около 40 %), не вызывают ни нагона воды, когда они дуют на берег, ни сгона,, когда они дуют с берега. Ветров скоростью 10-15 м/сек. в году не более 3 %, а ветры сильнее 15 м/сек. бывают не каждый месяц, и их повторяемость в году всего примерно 1 % [23]. Сгонно-нагонные колебания уровня, вызываемые сильными ветрами, наиболее часто отмечаются осенью. Величина сгонно-нагонных колебаний в южной части озера составляет 0.4 м, а в северной его части не превышает 0.1 м. Однако нагонные ветры со скоростью 15 м/с и более вызывают у южного берега озера повышение уровня на 0.9-1 м и, как следствие, затопление берега; такие же сгонные ветры обусловливают понижение уровня на 0.6 м относительно среднего уровня озера. Особенно значительны сгонно-нагонные колебания уровня в устьях рек. У южного берега Ладожского озера нагонными являются ветры северного, северозападного и северо-восточного направлений, преобладающие здесь весной, а сгонными -ветры южного, юго-западного и юго-восточного направлений, чаще всего отмечающиеся осенью и зимой. Большое влияние на сгонно-нагонные колебания уровня оказывает продолжительность ветра одного направления. Наибольшей непрерывной продолжительностью (4-5 сут) в описываемом районе отличаются южные ветры; продолжительность северных ветров не превышает 2 сут [33]. Денивеляции уровня преобладают в осенне-зимнее время. В северной части озера, где они не крупнее 5-10 см, практическое значение их невелико. Максимальные по величине и наиболее частые колебания уровня свойственны южному мелководному району озера. Здесь наблюдаются сгоны и нагоны более 20-30 см, в отдельных случаях 40см. Случаются нагоны воды и до 90 см, сопровождаемые затоплением берегов. И все же подавляющее большинство денивеляции (если отсчитывать их от уровня, предшествующего сгону или нагону) не превышает 10 см. Денивеляции на озере держатся короткое время, и короче всего - наиболее сильные из них [23]. Онежское озеро - второе по величине озеро Европы. По площади, равной 9900 км , оно занимает шестое место среди больших озер СНГ. Максимальная глубина его не превышает 120 м. Главные притоки Онежского озера - Шуя, Суна и Водла. Вытекает из него р.Свирь.
Озеро Балхаш
Озеро Балхаш - один из крупнейших водоемов земного шара. Среди водоемов СНГ по площади водного зеркала - 18 тыс. км2 при уровне 342 м - озеро занимает четвертое место после Каспийского, Аральского морей и оз. Байкал.
Водосборная площадь озера охватывает территорию 413 тыс. км2 из которой около 15 % находится в пределах Китайской Народной Республики [13]. Активная часть водосбора озера расположена в южной и юго-восточной частях бассейна, занятого горными сооружениями юго-восточного Казахстана. На севере и северо-западе бассейна расположены равнинные, относительно пониженные пространства пустынь. Площадь активного водосбора составляет около 1/3 от общей площади бассейна озера. Такая особенность бассейна Балхаша порождается всем комплексом составляющих его ландшафтных условий [1].
Котловина оз. Балхаш расположена в наиболее низкой части Балхашской впадины на высоте 340 м. В отличие от других озер форма котловины крайне удлиненная, длина озера составляет около 600 км при средней ширине 30 км (наибольшая ширина 70 км). Такая форма обусловливает неоднородность распределения по акватории гидрометеорологических и гидрохимических характеристик [42,50].
Берега озера в западной, северной и юго-восточной частях высокие и сравнительно мало изрезаны. Южное побережье от дельты р. Или до зал. Карашаган отличается низкими песчаными берегами, возвышающимися над уровнем воды всего на 1-2 м. Многочисленные заливы, глубоко вдающиеся в берег, множество отмелей и кос, выступающих в озеро, определяют чрезвычайную изрезанность береговой полосы. Береговая линия здесь постоянно меняет свои очертания. Показатель развития береговой линии - частное от деления ее длины на длину круга, равновеликого акватории озера, -для Балхаша очень велик и составляет 5.06, для Аральского моря он равен 3.54.
Суммарная площадь заливов и озер в прибрежной части меняется в зависимости от уровня и в среднем составляет около 5-7 % площади зеркала озера.
Весьма резкое изменение площади озера при колебаниях уровня является важным фактором его гидрологического режима.
Различие размеров и форм котловин западной и восточной частей озера существенно. Западный Балхаш - более широкий и более мелководный водоем, чем восточный. Рельеф дна однообразен. Зона больших глубин простирается вдоль северного и западного берега, наибольшая глубина (12.8 м) отмечена в зал. Бертис. На долю Западного Балхаша приходится 58 % общей площади в 42 % общего объема озера. Восточный Балхаш - узкий, но более глубокий водоем. Здесь выделяются четыре глубоководных плеса, в трех из которых глубина достигает 12-16 м. Область наибольших глубин в этой части (и озера в целом) находится в крайней восточной оконечности, юго-западнее п-ова Кашкантобе. Граница между этими частями озера проходит у п-ова Сарынсек по узкому прол. Узунарал. При среднем уровне 342 м ширина этого пролива составляет свыше 4 км и средняя глубина - около 4 м. Водообмен через этот пролив играет важную роль в водно-соленом режиме озера и отдельных его частей [13].
Основное питание рек, впадающих в оз. Балхаш, происходит в горной части бассейна. Эта стокоформирущая часть составляет около 1/3 его общей площади.
На обширной территории бассейна насчитывается около 45 тыс. рек, из них лишь 5% с длиной более 10 км.
Наиболее значительные реки с постоянным стоком впадают в озеро с его южной стороны: Или, Каратал, Аксу, Лепсы. С востока в оз. Балхаш впадает р. Аягуз, относящаяся к водотокам периодического действия. Реки, впадающие в озеро с севера (Баканас, Токрау, Мойынты), поверхностного стока в озеро практически не дают.
На территории бассейна оз. Балхаш, по данным 1970 г., насчитывалось около 24 тыс. озер и искусственных водоемов [42]. Площадь зеркала большинства озер менее 1 км озера сосредоточены главным образом в поймах и дельтах рек, особенно много их было в дельте р. Или. Много озер также в высокогорном поясе у языков ледников и в приморенных понижениях. Наибольшее количество водохранилищ и прудов расположено в предгорье, в низкогорных районах.
Самое крупное водохранилище - Капчагайское, наполнение которого началось в 1970 г. К 1985 г. его объем достиг 14 км3, а площадь зеркала превысила 1200 км2 [13].
Уровень воды Балхаша, как в других бессточных озер полуаридной зоны, испытывает крупномасштабные многолетние и вековые циклические колебания, обусловленные колебаниями климата [31,32]. Внутригодовые колебания уровня определяются внутригодовым ходом элементов водного баланса озера, связанным с годовым климатическим циклом, а также барико-ветровыми воздействиями.
Период до 1970 г. (т. е. до начала наполнения Капчагайского водохранилища), согласно работе [31] можно рассматривать в качестве условно-естественного периода, втечение которого влияние хозяйственной деятельности в бассейне Балхаша на колебания уровня озера было несущественным. Вековые колебания уровня за последнее тысячелетие составляют на Балхаше 12-14 м; внутривековые колебания - 2- 4 м. Вековые и внутривековые колебания носят синфазный характер (с некоторым сдвигом отдельных фаз, обусловленных различием в форме озерных котловин и особенностями водного баланса). Общий фон векового хода уровня Балхаша определяется фазами подъема и спада внутри вековых циклов. Короткопериодные многолетние колебания годовых значений водного баланса лишь немного осложняют этот фон. Сказанное является одной из главных отличительных особенностей уровенного режима не только оз. Балхаш, но и всех других крупных бессточных водоемов полуаридной зоны. Основным фактором, определяющим это отличие, является способность котловин этих озер вмещать запасы воды, создаваемых притоком за многие годы. Соответственно уровень воды Балхаша, как и других озер, определяется суммой его годовых приращений за ряд предшествующих лет, т.е. климатическим условиями предшествующего многолетнего периода. Метеоусловия бассейна и водный баланс данного года определяют лишь приращение уровня в данном году. Причем эта величина зависит от площади зеркала (уровня воды) к началу года, т. е. от положения этого года внутри фазы внутривекового и сверхвекового циклов.
Помимо климатических факторов на.колебании уровня оз. Балхаш сказывается: динамика дельты, влияние которой проявляется в виде тенденция изменения общего фона годовых потерь стока - увеличения в озерной фазе циклического развития дельты и уменьшения в русловой фазе [32].
Стабилизация Капчагайским водохранилищем притока вод в дельту р. Или и оз; Балхаш обусловила уменьшение колебаний годовых приращений уровня воды, связанных с короткопериодными многолетними колебаниями климата, но не устранила их.
Климат бассейна оз. Балхаш континентальный, существенно различающийся в равнинной, низко горной и горной частях [42].
Он формируется под влиянием трех факторов: 1) географического положения, определяющего угол падения солнечных лучей и интенсивность солнечной радиации; 2) механизма общей циркуляции атмосферы, обусловливающего перенос тепла и влаги из одной местности в другую; 3) механизма локальной циркуляции.
Механизм общей циркуляции атмосферы в Балхашской котловине в свою очередь слагается из четырех элементов: 1) воздействия меридиональной циркуляции с юга (ветры Эбе); 2) воздействия меридиональной циркуляции с севера (арктические вторжения); 3)воздействия зональной циркуляции с запада (атлантические вторжения); 4) воздействия переходного состояния (формирование процессов трансформации воздушных масс) [1].
Температурный режим воздуха и воды в озере определяется климатическими факторами и существенно зависит от географического положения района. Зимой бывают нередко морозы свыше 40 С. В" периоды арктических вторжений туранского воздуха в Казахстане устанавливается обычная морозная погода с осадками и лишь на крайнем юге сопровождается ясным небом. Весна на Балхаше в силу малоснежности зимы очень коротка. Лето отличается тяжелой жарой до 48 С. Осень характеризуется жаркими днями и холодными ночами [1].
Термический режим озера характеризуется плавным прогреванием вод, начинающимся с момента взламывания ледяного покрова и продолжающимся до середины июля, а затем - плавным охлаждением вод, продолжающимся до ноября. В
Аральское море
Высоты сгонно-нагонных колебаний различаются по побережью. Наибольшие величины сгонно-нагонных колебаний уровня на Аральском море наблюдаются в мелководных районах моря на его северо-восточном, южном и юго-западном побережьях. Наибольшая повторяемость сгонно-нагонных колебаний уровня отмечается в осенне-зимний период. Наибольшие значения максимумов нагонов приходится на период с сентября по декабрь, хотя на ст. Аральское моря они зафиксированы как в период с марта по июнь, так и в период с сентября по декабрь.
Максимальная величина нагонов на ст. Аральское Море и в районе ст. Тигровой составляла 167 см и ПО см соответственно, а наибольший сгон составляет 131 см (ст. Аральское море). Наименьшая величина нагона (52 см) наблюдалась в центральной части моря на островной станции Барсакельмес, а сгона - у о. Лазарева (49 см).
Соотношение максимумов нагонов и стонов при осреднении по всем постам 0.7 (табл. 13).
Таблица 13. Сведения об использованных материалах наблюдений (в скобках указаны значения статистических параметров рядов послеисключения из них выдающихся экстремумов и годы, когда наблюдались эти экстремумы; hc, h„ - средние из годовых максимумов сгонов и нагонов; п - число лет наблюдений; Cv - коэффициент вариации; Cs - коэффициент асимметрии; Ьсмах,Ьнмах- экстремальные значения сгонов и нагонов)
Корреляция между максимальными годовыми стонами и нагонами на смежных постах отсутствует (табл. 14). В табл. 15 приведены выборочные оценки коэффициентов автокорреляции в рядах максимальных годовых нагонов г„ и сгонов гс, а также взаимная корреляция между ними гс.н. Все они размещаются в зоне статистически незначимых величин и не превышают 0,5.
Таблица 14. Коэффициенты корреляции между годовыми максимумами сгонов на смежных постах (правый верхний угол таблицы) и между годовыми максимумами нагонов (левый нижний угол таблицы); прочерк - отсутствие данных
Рассмотрим изменчивость годовых экстремумов. В большинстве случаев Cv=0.30-0.40, а отношение Cs/Cv изменяется в пределах от 0.8 до 3.6. Но в некоторых случаяхCs /Cv достигает 4.6 и 4.9 для нагонов у Тигрового и Узункаира соответственно, и 4.4 длясгонов у ст. Уялы. Во всех указанных случаях ряды наблюдений включают в себя по одному выдающемуся значению, что завышает коэффициенты асимметрии (рис. 16). к=»уи з
Рис. 16.Обеспеченности максимальных годовых нагонов у о.Тигрового и у Узункаира (а и б соответственно) и сгонов у ст. Уялы (в) Исключение данных за эти годы приводит к сокращению Су О (значения в скобках в табл. 13). После такой процедуры значения мало меняются по постам, поэтому с учетом случайного рассеяния, можно принимать везде С « 0.4, а осредненное значение C/Cv 2. Рассмотрим внутригодовое распределение экстремальных уровней Средняя высота экстремумов меняется от месяца к месяцу незначительно. Это видно из табл. 16, где приведены статистические характеристики месячных экстремумов сгонов и нагонов. Нагоны на части постов выше сгонов. По коэффициентам вариации разброс данных, естественно, выше (табл. 17). С учетом этого оценки изменчивости месячных сгонов и нагонов имеют один порядок величин.
Денивеляции уровня преобладают в осенне-зимнее время. В северной части озера, где они не крупнее 5-10 см, практическое значение их невелико. У скалистого северного берега из-за больших глубин нагонные явления развиты слабее, чем в мелководных южных заливах. Здесь наблюдаются сгоны и нагоны более 20-30 см, в отдельных случаях 40 см. Случаются нагоны воды и до 90 см, сопровождаемые затоплением берегов. И все же подавляющее большинство денивеляции (если отсчитывать их от уровня, предшествующего сгону или нагону) не превышает 10 см. Среднегодовое значение максимумов нагонов по озеру составляет 21 см (табл. 18).
Таблица 18. Сведения об использованных материалах наблюдений (в скобках указаны значения статистических параметров рядов после исключения из них выдающихсяэкстремумов; hH- средние из годовых максимумов нагонов; п - число лет наблюдений; Cv - коэффициент вариации; Cs - коэффициент асимметрии; h „ мах - экстремальные значения нагонов) для станций д. Устье и Бумкомбинат изменчивость иногда достигает 0.4-0.5 соответственно. В обоих указанных случаях ряды наблюдений включают в себя по одному выдающемуся значению, что завышает коэффициенты вариации и асимметрии.
При ранжировании рядов в убывающем порядке в двух случаях (из 4) наибольшее значение до нескольких раз превышает следующее за ним (второй член ранжированного ряда) (рис. 18).
Исключение данных за эти годы приводит к сокращению Cv до 0.25-0.3, a C CV - до 2 раз (значения в скобках в табл. 18). После такой процедуры значения О мало меняются по постам, поэтому с учетом случайного рассеяния, можно принимать везде CV 0.3; для CyCv исчезают обычно не встречающиеся при описании других гидрометеорологических процессов значения выше 5-6. Вероятно, с учетом большого случайного рассеяния выборочных оценок С/С можно принимать, что осредненное значение С/С 3 (табл. 18).
Перейдем теперь к внутригодовому распределению экстремальных уровней.Средняя высота экстремумов меняется от месяца к месяцу незначительно. Это видно из табл. 19, где приведены статистические характеристики месячных экстремумов нагонов. В разные месяцы для одного поста различия в экстремумах часто превышают случайные ошибки. Поэтому в расчетах следует пользоваться выборочными оценками среднемесячных максимумов нагонов.
По коэффициентам вариации случайный разброс данных, естественно, выше (Су 0.3-0.б) (табл. 20). На некоторых постах С=0.8 (Бумкомбинат, д. Устье). Высокие значения изменчивости в отдельные месяцы обычно обусловливаются наличием в ряду «отлетающих» значений, существенно завышающих Cv. При исключении «отлетающих» значений у ст. Бумкомбинат Cv с 0.84 снижается до 0.58, а у д. Устье с 0.75 до 0.53.
На Онежском озере имеются данные наблюдений по 8 пунктам (рис. 19). Длительность имеющихся наблюдений составляет в среднем 30 лет.
В среднем за год на Онежском озере наблюдается 50-60 денивеляций более 5 см. Почти 70% нагонов, наблюдавшихся в северной части озера имеют величину менее 10 см Немногим более 20% составляют сгоны и нагоны от 10 до 15 см и только 10% денивеляций имеют величину более 15 см. В южной части озера величина нагонов меньше, чем в северной. Сгонно-нагонные колебания уровня менее 10 см составляют
