верхними (известняково-мергелистая и пестроцветная толщи)
Мощность отложения среднего девона 50-150м, верхнего до 300м.
.2 Почвенный покров
Волхово-Ильменская низменность к северу от озера Ильмень сложена, главным образом, ленточными глинами. В отдельных местах встречаются карбонатные отложения, но они находятся на значительной глубине и роль их в почвообразовании незначительна, здесь широко распространены подзолисто-глеевые, торфяно-глеевые почвы. К востоку от реки Волхов встречаются песчаные отложения с преобладанием сильно подзолистых почв. Юго-западная часть Приильменской низины в основном сложена карбонатно-валунными суглинками. Здесь распространены дерново-карбонатные почвы. Они отличаются хорошо развитым перегнойным горизонтом, отсутствием подзолистого горизонта и сравнительно тяжелым механическим составом. На восточном побережье озера преобладают аллювиально-луговые почвы.
1.3 Растительность
Озеро Ильмень находится в южной подзоне тайги. Преобладающим типом растительности являются леса, состоящие главным образом из хвойных пород - сосны и ели. Степень залесенности бассейна составляет от 30 до 50 %. В южных и западных районах - отмечается наименьшая лесистость. Так в верхнем и среднем течении р.Ловати, в бассейне р.Шелонь, залесенность 30%. Болота и заболоченные территории занимают около 30 % бассейна. Под лугами находится менее 10 % площади бассейна. Большинство лугов суходольные со злаково-разнотравной растительностью (душистый колосок, щучка, белоус, мятлик луговой, полевица, манжетка, различные виды клевера).
Пойменно-заливные луга приурочены к долинам крупных рек (в долине р.Волхов, на побережье озера и в низовьях рек впадающих в озеро). Здесь типичны злаковые и бобовые сообщества ежи, тимофеевки, пырея, мышиного горошка, клевера с примесью лугового разнотравья.
.4 Климат
.4.1 Температура воздуха
Средняя годовая температура воздуха на территории бассейна колеблется в пределах 3-4°C. Самыми холодными месяцами в году являются январь и февраль, самым теплым - июль.
Лето, за начало которого принимается переход средней суточной температуры воздуха через 10°C, наступает в первой декаде мая. Вначале лета еще возможны заморозки. Раньше всего они прекращаются на побережье озера. К концу мая они заканчиваются повсеместно.
Зима начинается во второй декаде ноября. Первая половина зимы, характеризуется преобладанием ненастной погоды с выпадением дождя и мокрого снега.
Таблица 1.1
Средняя месячная и годовая температура воздуха, °C
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIХХХIХIIГодНовгород-8,6-8,4-4,53,310,415,017,315,210,14,2-1,1-5,93,9Великие Луки-8,2-7,9-3,94,411,415,117,215,510,34,9-0,6-5,74,4Холм-8,2-7,8-3,74,411,415,317,315,510,44,9-0,5-5,74,4
.4.2 Осадки
Озеро находится в зоне избыточного увлажнения. Это объясняется сравнительно небольшим приходом тепла и хорошо развитой здесь циклонической деятельностью, которая активно проявляется во все сезоны.
На распределение осадков большое влияние оказывают орографические особенности местности и подстилающая поверхность, ведущие к нарушению плавного характера изменения осадков. Даже небольшие возвышенности обуславливают перераспределение осадков; увеличение их на наветренных возвышенных участках и уменьшение на подветренных склонах и в понижениях за возвышенностями. В среднем за год в бассейне озера Ильмень выпадает 700-800 мм осадков.
Внутри года осадки распределяются неравномерно. Характер их распределения по территории в теплый и холодный период имеет много общего с годовым, однако в теплый период года влияние возвышенностей на перераспределение более заметно, нежели в холодный период. Максимум осадков приходится на июль-август и лишь иногда на сентябрь. Количество осадков за теплый период колеблется от 450 до 550 мм. Осадки холодного периода составляют 40-45 % годовых.
.4.3 Снежный покров
В начале зимнего сезона высота снежного покрова - менее 10 см. максимальной мощности он достигает в третьей декаде марта. Средняя из наибольших высот снежного покрова на полевых участках 30см. На лесных полянах и в лесу до 40см.
Запас воды в снеге распределяется по территории в соответствии с мощностью снежного покрова. Наибольших значений запас воды достигает к моменту снеготаяния 70мм на полевых участках, в лесистой и пересеченной местности до 150мм.
.4.4 Влажность воздуха
Упругость водяного пара наименьших значений достигает в феврале (2,4-2,8 мб). Начиная с марта, происходит увеличение влагосодержания воздуха, особенно интенсивно от мая к июню и от июня к июлю (на 3-4мб). Максимального значения упругость водяного пара достигает в июле (12-14 мб), в августе она понижается в среднем на 0,4-0,6 мб, а в сентябре и октябре на 3-4 мб.
Максимальное значение относительной влажности воздуха наблюдается в ноябре-январе. В это время приход солнечного тепла минимальный, испарение мало, и относительная влажность в течение суток держится выше 85%. Начиная с февраля-марта значения ее в дневные часы, довольно интенсивно уменьшаются (50-55%).
Число дней с относительной влажностью 80% колеблется от 130 до 165 дней.
Дефицит влажности наименьшие значения имеет в холодное время года. Особенно мал в декабре-феврале (менее 0,5мб). С марта постепенно увеличивается, достигая максимальных значений в июне 5-7мб.
.4.5 Ветер
Ветровой режим зависит от общей циркуляции атмосферы и тесно связан с особенностями распределения барических центров, располагающихся вокруг района.
В течение года преобладают ветры южного, юго-западного и западного направлений. Повторяемость этих направлений превышает 50 %. При этом они особенно отличаются в холодный период года.
В летние месяцы повторяемость ветров юго-западной четверти несколько уменьшается, северной увеличивается. В холодный период, вследствие близкого расположения областей высокого и низкого давлений, возникают большие горизонтальные градиенты давления. Поэтому в это время ветры наиболее устойчивы по направлению и наибольшие по силе. Летом, в связи с уменьшением термических контрастов, барическое поле выражено менее четко, а градиенты давления незначительны. Ветры у поверхности ослабевают и становятся менее устойчивы по направлению.
Под влиянием орографии преобладающее направление ветра искажается. Так, в долинах рек преобладают ветры, дующие вдоль долин. Еще в большей степени, чем направление, от местных условий зависит скорость ветра. Наименьшие скорости наблюдаются в районах, где сказывается влияние леса, по мере приближению к озеру скорость ветра возрастает и наибольшие ее величины отмечаются на прибрежных и озерных станциях. Максимальные скорости ветра наблюдаются в октябре-феврале, а наименьшие в июле-августе.
Таблица 1.2
Средняя месячная и годовая скорость ветра, м/сек.
Высота флюгераIIIIIIIVVVIVIIVIIIIХХХIХIIгодНовгород115.85.14.74.34.64.53.93.94.35.05.75.64.8Великие Луки125.15.04.54.03.93.63.23.33.64.45.25.24.2
1.4.6 Испарение с суши
В условиях северо-запада 50-70% осадков расходуется на испарение. Внутригодовое распределение испарения рассчитано по методу Константинова и приведено в таблице 1.3
Таблица 1.3
Испарение с суши (в % от годовой суммы)
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIХХХIХIIгодСеверо-запад0.21.34.910.817.120.822.113.26.22.80.50.1100
.5 Гидрография
Большинство рек Волховско-Ильменского бассейна берут свое начало из водораздельных болот. В верхнем течении долины их не выражены или слабо выражены; русла разработаны слабо, реки часто теряются в зарослях кустарника и болотной растительности, уклоны рек очень малы. В пределах холмисто-озерной моренной гряды, опоясывающей дугой верхнюю часть Волховского бассейна, речные системы состоят из цепи озер, соединяемых короткими протоками.
Густота речной сети здесь 0,75 км/км2 . Наиболее развитую гидрографическую сеть (0,84-0,96 км/км2) имеют реки Пола, Ловать и Шелонь.
Многие реки на устьевых участках разветвляются на многочисленные рукава, образуя обширные дельты (реки Мста, Пола, Ловать).
.6 Описание метеорологических станций и гидрологических постов
Метеорологическая и гидрологическая станция Войцы
Высота метеорологической площадки над уровнем моря 22м
Высота барометра над уровнем моря 24,7м
Высота флюгера 11,8м
Станция расположена на северо-восточном берегу озера Ильмень, на полуострове, омываемом с запада водами озера Ямно (залив оз. Ильмень), с востока - рекой Нишей.
Окружающая местность - обширная Волхово-Ильменская низина, слегка заболоченная, местами покрытая лиственными лесами с примесью хвойных пород, кустарником и занятая полями и лугами. Почвы в районе станции песчаные на красной глине.
Высота метеорологической площадки над уровнем моря 24м
Высота барометра над уровнем моря 25м
Высота флюгера 10,9м
Станция расположена в северной части Приильменской низины. Окружающая местность представляет собой плоскую низменность, сильно заболоченную, особенно в юго-западном направлении, покрытую полями и лугами. Местами встречается невысокий кустарник. Почвы глинистые и суглинистые. К востоку в 2 км по направлению с юга на север протекает река Волхов.
Метеорологическая станция Старая Русса
Высота метеорологической площадки над уровнем моря 24м
Высота барометра над уровнем моря 24,5м
Высота флюгера 12,5м
Станция расположена в обширной Волхово-Ильменской низине, в 15 км к югу от озера Ильмень. Окружающая местность ровная, частично заболоченная, занята полями и лугами. В 2,5 км к востоку - юго-востоку протекает река Полисть. Почвы подзолистые с преобладанием подзолистых и супесчаных разностей.
Гидрологический пост д. Коростынь
Высота метеорологической площадки над уровнем моря 44м
Высота барометра над уровнем моря 45,1м
Высота флюгера 10,1м
Пост расположен на юго-западном берегу озера Ильмень в 0,7 км от уреза воды. При высоких уровнях все берега озера, за исключением северо-западного (Поозерье) и юго-западного (Ильменский Глинт) - затопляются. Берег в районе поста высотой ≈25 м спускается к озеру двумя террасами высотой 6-9м.
Окружающая местность - обширная Волхово-Ильменская низина, ровная, слегка заболоченная. Лесов в районе станции нет. В 2 км к юго-западу протекает река Саватийка. Почвы в районе поста суглинистые.
Гидрологический пост д.Ужин
Высота метеорологической площадки над уровнем моря 23м
Высота барометра над уровнем моря 29м
Высота флюгера 14м
Пост расположен на южном берегу озера Ильмень. Берег в районе поста обрывистый, с отмелью из песка и гальки.
Окружающая местность безлесая, местами заболоченная низина, покрытая полями и лугами. Большая часть низины к югу от поста весной затопляется водой. В 2,5км к юго-западу с запада на восток протекает река Перехода, летом пересыхающая.
2. Гидрологический режим озера Ильмень
.1 Колебания уровней воды
Основными причинами, вызывающими колебания уровней озера, являются изменения объемов воды, связанные с ходом составляющих водного баланса, и движение воды (течения, сгоны и нагоны, волны, сейши), вызывающие денивеляции - перекосы водной поверхности.
Питание озера Ильмень зависит в основном от поверхностного стока. Величины средних годовых уровней, по данным гидрологического поста у г. Новгорода колебались в пределах 181-477см, что дает амплитуду 296см, у гидрологического поста д. Войцы 235-490см, что дает амплитуду 255см. Величина среднего годового уровня обусловлена главным образом осадками, выпадающими на водосбор, причем наличие в бассейне большого количества болот и озер способствует задержанию влаги и создает естественные условия зарегулирования поверхностного стока. Разность годовых амплитуд колебаний уровней смежных лет колеблется от 1 до 276см, среднее ее значение равно 93см.
Нормальный годовой ход уровня озера характеризуется весенним половодьем, растянутым от апреля до июля, с большим пиком высотой в среднем 3-4см, после которого заполненная озерная котловина начинает расходовать свои запасы путем стока через р.Волхов. В дальнейшем ход уровня характеризуется плавным спадом в июне-октябре (летняя межень), после чего вновь наблюдается незначительный осенний подъем в октябре-ноябре, плавно снижающийся к зимней межени.
Таблица 2.1
Колебания уровня воды в озере Ильмень в связи с изменением его по площади, объема, глубины
Характеристика уровняАбсолютная высота уровня, м.Наибольшая глубина, м.Средняя глубина, м.Площадь, км2Объем млнм3Низший Средний Высший Наивысший16.5 18.0 21.3 23.43.0 4.5 6.5 10.01.95 2.64 4.27 5.62770 1090 1780 20961500 2870 7600 11647
Минимальный уровень озера наблюдается в конце лета - начале осени. Максимум уровня, наблюдается в первой половине мая. Абсолютно максимальный уровень отмечен в 1922г. у г.Новгорода был равен 7,91м, у д.Войцы 7,72м, абсолютный минимум в 1882г. имел отметку 0,51м.у г.Новгорода и 1,19м у д.Войцы.
Критический уровень, выше которого наблюдается затопление населенных пунктов прибрежной зоны, составляет 669см над нулем графика на реке Волхов у г.Новгорода и 680см на озере Ильмень у д.Войцы.
.2 Ветровое волнение
Из-за низких берегов и обширной поверхности озеро Ильмень подвержено сильному действию ветров. Ветрами на озере создается значительное волнение, причем при низком стоянии уровня воды происходит взмучивание ила со дна. Особой высоты (свыше 2м) достигают волны прибоя у высоких юго-западных берегов в высокие разливы, в такие моменты происходит разрушение уступа (клифа) юго-западного и западного берегов.
Из-за ограниченного числа наблюдений над волнением, связей между высотой волн и скоростью ветра определенных направлений установить не удалось.
Величина сгонно-нагонных уровней на участке г.Взвад-г.Новгород по выборочным данным достигает иногда 60-70см. На участке д.Войцы-д.Ужин перекосы уровня в среднем составляют 10-30см, при ветрах со скоростью более 7м/сек юго-западного или северо-восточного направлений. При ветрах с незначительной скоростью и других направлений перекосов уровней не наблюдается.
.3 Термический режим
Большое влияние на температурный режим оказывает проточность озера. В летнее время озеро Ильмень сильно прогревается и при сильном перемешивании ветром всей массы воды в нем практически отсутствует стратификация. Абсолютная величина температуры воды довольно высокая и в летние месяцы приближается к температуре воздуха.
Характерной особенностью озера Ильмень, влияющей на термический режим озера, является его мелководность и значительные сезонные изменения уровня воды.
Наиболее резкие термические изменения происходят в прибрежной части озера. Здесь ход температуры поверхности воды тесно связан с ходом температуры воздуха и, следовательно, раньше наступают термические изменения, сопровождающие вскрытие и замерзание озера.
Термические изменения в прибрежной зоне имеют ясно выраженный суточный и годовой ход. Наибольшее прогревание поверхностного слоя воды наблюдается в июле (средняя многолетняя температура 20,2°), а наибольшее охлаждение (за безледоставный период) - в ноябре, перед ледоставом, когда температура практически равна 0. Абсолютный максимум температуры воды у берега отмечался в августе 1924г и составлял 25,6°.
Распределение температуры поверхности воды у берега и на акватории зависит от метеорологических условий и от сезона. В мае, как правило, температура воды у берега превышает температуру воды на акватории на 0,2-1,5°, в июне-августе температура воды на акватории несколько выше (на 0,2-0,4°) температуры воды у берега.
Таблица 2.2
Температура воды на поверхности озера Ильмень
Зона озераIV 1 2V 1 2 3VIVIIVIIIIXXXI 1 2 3XIIПрибрежная0.12.07.611.712.017.318.917.410.74.80.11.50.20Глубинная5.98.812.318.019.418.410.64.70.20.20Все озеро0.16.09.412.217.919.318.210.64.70.20.50
Повышение температуры всей массы воды происходит и в зимний период. С наступлением ледостава интенсивное охлаждение озера прекращается и начинается прогрев придонных слоев воды. Это происходит под влиянием теплоты биохимических процессов, совершающихся в толще иловых отложений озера. Температура воды в придонном слое зимой достигает 4-5°C.
В штилевую погоду летом устанавливается прямая температурная стратификация. Разность поверхностной и придонной температуры достигает 8-10°C. Ветер препятствует образованию температурного расслоения в озере и тогда наблюдается равномерное распределение температуры по глубине. С августа начинается постепенное понижение температуры всей массы воды и одновременно выравнивание ее от поверхности до дна. Термическая стратификация в это время не превышает 1-2°C. Охлаждение озера происходит несколько медленнее, чем его нагревание весной.
Абсолютная годовая амплитуда придонного слоя озера 23,6°C.
Таблица 2.3
Средняя суточная и максимальная за сутки амплитуды колебания температуры воды по наблюдениям на 57 суточных станциях в открытой части водоема
ТемператураАмплитуда колебания температуры воды за суткина поверхностина ½ глубиныу днаСредняя1.80.80.6Максимальная6.13.42.6
Наиболее интенсивное поглощение тепла озером происходит в течение мая-июня. В апреле (в период вскрытия) средняя температура всей водной массы понижается благодаря таянию льда озера и притоку талой воды извне. Происходящее в это время перемешивание слоев водной массы озера быстро уничтожает зимнюю обратную стратификацию и вызывает явление весенней гомотермии, соответствующей осенней гомотермии перед замерзанием озера. Летнее накопление тепла превышает зимнее более чем в 19 раз.
.4 Ледовый режим
озеро ильмень гидрологический температура
Замерзание
Процесс замерзания, особенно в прибрежной зоне, происходит быстро благодаря незначительной глубине озера. После понижения температуры воздуха ниже 0° прибрежные воды быстро охлаждаются и создают условия для появления сала, которое в большинстве случаев переходит в состояние неподвижного льда.
При безветрии и установившихся морозах поверхность озера затягивается льдом, который в первые же сутки даже при небольшом морозе при температуре -5-10°C приобретает толщину 5-6см и имеет ровное кристаллическое строение.
На замерзание озера существенное влияние оказывают преобладающие здесь южные и юго-западные ветры. Они иногда взламывают только что затянувшуюся льдом поверхность и выносят лед в реку Волхов.
Толщина ледяного покрова зависит от условий его замерзания. Разрушение ледяного покрова, вызываемое ветром в период ледостава, сопровождается неравномерным наслоением его в отдельных местах озера.
К концу декабря толщина льда увеличивается до 32см. Наибольшая толщина наблюдается в марте, в среднем за многолетие она колеблется около 66см. Наибольший прирост толщины льда наблюдается в декабре-январе: 5-9см за декаду, в феврале она уменьшается до 3-5см и до второй декады марта прирост в среднем 1-3см. Со второй декады марта прирост толщины льда прекращается.
Вскрытие.
Вскрытие озера Ильмень наступает в середине первой - начале второй декады апреля. В начале вскрывается его северо-восточная часть, у д.Войцы, через 6-7 дней происходит вскрытие в районах устье крупных, впадающих в озеро притоков, а с запозданием на 2-3 дня происходит вскрытие остальных частей озера.
Часто на озере сплошное ледяное поле, оторванное от берегов, держится 2-3 недели, "гуляет" по озеру и разрушается лишь от сильного ветра и дружного наступления тепла.
Таблица 2.4
Ледовые явления на озере Ильмень и его притоках
Пункт наблюденияПоявление ледяных образованийНачало ледоставаНачало появления закраинОкончательное очищение ото льдаПродолжительность ледоставаоз.Ильмень д.Войцы11.1123.115.0424.04133оз.Ильмень д.Ужин12.1130.1111.0426.04132оз.Ильмень д.Коростынь6.1129.1112.0426.04134оз.Ильмень д.Песчаное10.1127.1112.0426.04136р.Волхов г.Новгород15.111.1227.0325.04116р.Шелонь д.Заполье17.1118.124.0411.04107р.Полисть г.Ст.Русса13.1125.115.0412.04131р.Ловать с.Взвад11.1122.1113.0416.04142р.Мста д.Девкино13.1130.1113.0419.04134
3. Водный баланс озера
Уравнение водного баланса озера, с учетом лишь основных его составляющих:
∑П - ∑Р=∑А + Н,
где ∑П - сумма приходных компонентов баланса;
∑Р - сумма расходных компонентов баланса;
Н - невязка баланса
К приходным компонентам относятся:
Пр - приток воды по рекам, впадающим в озеро;
Пос - поступление воды за счет атмосферных осадков, выпавших на зеркало водоема (зимой на ледяной покров).
К расходным компонентам относятся:
C - сток воды из озера по вытекающим из него рекам;
И - потери на испарение с водной поверхности.
К аккумуляционным составляющим относятся:
Ав - аккумуляция воды в чаще водоема
Н - невязка баланса, складывающаяся из суммы неучтенных составляющих и суммарной ошибки определения учтенных.
.1 Определение приходных составляющих баланса
.1.1 Поверхностный приток
Систематический учет стока ведется не на всех реках, впадающих в озеро, а только на их части (освещенная наблюдениями площадь Fос). Остальная часть бассейна остается неизученной (не освещенная наблюдениями площадь Fн.о).
При наличии гидрометрических створов на впадающих в озеро реках приточность представляет собой сумму их расходов. В настоящее время к числу изученных рек относятся, как правило, лишь наиболее крупные водотоки.
Для не освещенной наблюдениями площади, включая устьевые участки притоков ниже гидростворов, приточность Qн.о определяется по значениям стока (модули стока в л/(с∙км2), слой стока в мм) установленных по аналогии с водосборами рек, на которых ведутся наблюдения.
Определение Qн.о через средний взвешенный модуль стока qср.взв. - с учетом площадей водосборов рек-аналогов
н.о = qср.взв ∙ Fн.о
где q , q , ... , q - модули стока в пунктах, где производятся наблюдения, м3/(с∙км2);
F , F , … , F - площади водосборов в этих пунктах, км2.
Учитывая, что q = Q / F, получим расчетную формулу
н.о = k ∙ ∑Qi ,
где k - постоянный коэффициент, равный отношению площади, не освещенной наблюдениями, к сумме площадей водосборов рек-аналогов
= Fн.о / ∑Fi
.1.2 Поступление воды за счет атмосферных осадков
Поступление воды за счет осадков, выпавших на зеркало водоема, определяется по наблюдениям островных и береговых дождемерных пунктов. При этом в показаниях осадкомеров вводятся поправки (на смачивание, выдувание и переход от показаний дождемера к осадкомеру).
Средний по водоему слой осадков x определяется путем подсчета как среднего арифметического или как средневзвешенного значения.
. Метод среднего арифметического значения применяется, когда дождемерные пункты размещены по территории более или менее равномерно, их достаточное количество и осадки по площади изменяются незначительно.
Средний слой осадков x получается как частное от деления суммы осадков по всем метеостанциям ∑xi, принятым для расчета, на число этих станций n
= ∑xi / n
Основное преимущество метода заключается в его простоте и малой трудоемкости.
. Метод взвешивания по площадям используется для случаев неравномерного распределения осадков по площади водосбора. Вычисление среднего по площади слоя осадков производится с учетом площадей, тяготеющих к станциям. Для выделения этих площадей соседние станции на схеме соединяют прямыми линиями, через середины которых проводят перпендикуляры до их пересечения. В результате такого построения перпендикулярные линии становятся границами полигонов, тяготеющих к метеорологическим станциям, расположенным в их центральной части. Сумма осадков, зафиксированная центральной станцией, относится ко всей площади полигона. Площади fi, относящиеся к каждой станции, планиметрируются и выражаются в долях от общей площади бассейна k = fi / F.
Средневзвешенная сумма осадков вычисляется по формуле:
= x1k1 + x2k2+ … + xnkn = ∑xiki
3.2 Определение расходных составляющих
.2.1 Сток воды из водоема
Сток воды из водоема определяется по данным учета стока через гидротехническое сооружение для водохранилищ и по данным измерений на гидростворе на вытекающей реке для озер. При этом гидроствор должен быть расположен вблизи истока реки. Если учет стока производится на значительном удалении от озера, необходимо подсчитать боковой приток в реку на участке от ее истока до гидроствора. Сток из озера получится как разность между стоком, измеренным на гидростворе, и боковым притоком.
.2.2 Потери воды на испарение
. Потери воды на испарение с водной поверхности определяются по формуле ГГИ за период, свободный от ледяного покрова.
= 0,14n (e - e )(1+ 0,72u ),
где E - месячная сумма испарения, мм;
e - среднее значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме, мбар;
e - среднее значение упругости водяного пара (абсолютная влажность воздуха) над водоемом на высоте 2 м, мбар;
u - средняя скорость ветра над водоемом на высоте 2 м, м/с;
n - число дней в расчетном интервале времени за который принимается месяц, а в начале и конце безледоставного периода - соответствующее число суток от даты вскрытия до конца данного месяца и от начала последнего месяца безледоставного периода до даты замерзания водоема.
Чтобы рассчитать испарение по приведенной выше формуле, необходимо знать температуру и влажность воздуха и скорость ветра, измеренные непосредственно над поверхностью водоема. Таких наблюдений практически не имеется. Поэтому для расчета испарения используют данные о состоянии воздушной массы, полученные на континентальных метеостанциях, но с учетом ее трансформации при переходе с суши на водную поверхность. Чтобы использовать данные континентальных метеостанций, их корректируют введением коэффициентов.
Скорость ветра над водоемом значительно больше, чем над сушей, вследствие меньшей шероховатости водной поверхности по сравнению с поверхностью суши. Шероховатость подстилающей поверхности суши изменяется по географическим зонам, достигая наибольших значений в лесной зоне. Средняя скорость ветра над водоемом на высоте 2 м u (м/с) определяется по формуле:
= K K K uф ,
где K , K , K - коэффициенты, учитывающие соответственно степень защищенности метеорологической станции на суше, характер рельефа и среднюю длину разгона воздушного потока над водоемом Lср при различной его защищенности.
Uф - скорость ветра на высоте флюгера.
Средняя длина разгона воздушного потока представляет собой среднее взвешенное расстояние с учетом повторяемости направления ветра по акватории водоема. На план водоема наносят две системы прямоугольных сеток из параллельных профилей, ориентированных в первом случае с севера (C) на юг (Ю) и с запада (З) на восток (В), а во втором - с северо-запада (СЗ) на юго-восток (ЮВ) и с северо-востока (СВ) на юго-запад (ЮЗ). Средняя длина разгона для каждого направления профиля Li вычисляется как среднее арифметическое из длин всех профилей этого направления. Для всей акватории водоема средняя длина разгона вычисляется по формуле:
ср = 0,01 [Lс-ю (Nс + Nю) + Lз-в (Nз + Nв) + Lсз-юв (Nсз + Nюв) + Lсв-юз (Nсв + Nюз)],
где Lс-ю, Lз-в и т.д. - средняя длина разгона воздушного потока по профилям соответствующих направлений, км,
(Nс + Nю), (Nз + Nв) и т.д. - сумма повторяемостей румбов, %.
Максимальная упругость водяного пара e определяется по средней температуре поверхности воды tср.
Средняя по акватории абсолютная влажность воздуха над водоемом на высоте 2м e рассчитывается по формуле:
= e´ + (0,8e - e´)M,
где e´ - средняя за расчетный интервал времени абсолютная влажность воздуха, измеренная на континентальной метеостанции, мбар;
e - максимальная упругость водяного пара за этот же интервал времени, определенная по температуре поверхности воды в водоеме, мбар;
M - коэффициент трансформации, учитывающий среднее изменение абсолютной влажности и температуры воздуха в зависимости от размера водоема.
Коэффициент трансформации определяется по таблице в зависимости от средней длины разгона воздушного потока над водоемом и разности между температурой поверхности воды в водоеме и температурой воздуха на континентальной метеостанции.
. Испарение с поверхности снега и льда
При определении испарения с поверхности снега за месяц и более продолжительный период применяется упрощенная формула
= 0,37nd ,
Где n - число суток в расчетном периоде
d - дефицит влажности воздуха на высоте 2м, мбар.
.3 Определение аккумуляционных составляющих
Аккумуляция воды в чаще водоема определяется как разность объемов озера на начало и конец рассматриваемого года. Объемы воды определяются по кривой объемов в зависимости от среднего уровня, который должен быть свободен от относительных колебаний и искажающего воздействия переменных уклонов, и отражать горизонтальность водной поверхности.
Для определения среднего уровня применяется несколько способов:
. Средний уровень на озерах, для которых характерна неоднородность ветрового поля или сейшевые колебания определяется как средневзвешенный.
где H , H , … , Hn - уровень воды на каждом посту;
f - общая площадь зеркала водоема.
. Если водоем имеет округлую форму в плане и более или менее однородные глубины, а водомерные посты расположены равномерно по периметру и их достаточно много, средний уровень допускается определять как среднее арифметическое, так как ветровая денивеляция в различных частях такого водоема примерно одинакова
Hср = (H + H + … + Hn) / n
n - число постов
.4 Увязка водного баланса
Невязка баланса складывается из суммы неуточненных составляющих и суммарной ошибки определения учтенных составляющих и находится по уравнению
´ = ∑Пр - ∑P ± ∑A,
В уравнение подставляются вычисленные абсолютные значения приходных, расходных и аккумуляционных составляющих. Эти невязки всегда прибавляются (всегда с положительным знаком) к той части уравнения, которая оказалась меньшей на величину H´.
После уравнения вычисляется относительная невязка ε (в %), как отношение величины H´ к приходной или расходной частям уравненного баланса.
Расчет считается завершенным, если относительная невязка не превосходит возможную суммарную ошибку расчета, которая определяется по формуле
σ = ± √δ1 2 + δ2 2 +…+ δ n 2,
где δ1, δ2 , … ,δn - случайные относительные ошибки расчета отдельных составляющих баланса.
Расчет водного баланса считается завершенным, если ε ≤ σ.
4. Расчет водного баланса озера Ильмень за 1975год
Уравнение водного баланса озера, с учетом лишь основных его составляющих:
∑П - ∑Р=∑А + Н
.1 Расчет приходных составляющих водного баланса
.1.1 Поверхностный приток
пр = Q + Q
где Q - сумма расходов изученных рек
Q - сумма расходов неизученных рек
Площадь водосбора озера Ильмень 67200 км2, средняя площадь зеркала в 1975г -2090км2. При составлении водного баланса учтены лишь основные его компоненты.
В 1975 году наблюдение за стоком велось на 7 реках, впадающих в озеро Ильмень.
Таблица 4.1
Средний годовой сток рек, впадающих в озеро Ильмень 1975 год
Номер по рис. 5.1Река-пунктFкм2Qм3/сq л/(с∙км2)1Ловать пост Холм1470091,56,222Мста д.Девкино225001175,203Перехода д.Подсосонье1380,684,934Пола д.Налючи645042,86,645Псижа д.Подолож2772,027,296Тулебля г.Старая Русса520,356,737Шелонь д.Заполье682040,45,92∑50937 ∑294,75
Суммарная площадь изученных рек Fо.с составляет 50937 км2, или 75,8% общей площади бассейна озера. К числу неизученных рек относятся, как правило, небольшие водотоки, суммарная площадь которых Fн.о = 16263 км2.
Значения расходов изученных рек Q = 294,75 м3/с.
Значения расходов неизученных рек определим через средневзвешенный модуль стока с учетом площадей рек-аналогов по формуле
н.о = k ∑ Qi , где k = Fн.о / ∑ Fi
= 16263 / 50937 = 0,32
Qн.о = 0,32 ∙ 294,75 = 94,32 м3/с.
Таким образом, поверхностный приток в озеро равен
Qпр = 294,75 + 94,32 = 389,07 м3/с.
или в объемных единицах
Wпр = 389,07 ∙ 31,5 ∙ 106 = 12256 ∙ 106 м3.
.1.2 Поступление воды за счет атмосферных осадков
Поступление воды за счет атмосферных осадков, выпавших на зеркало озера, определим по трем метеостанциям, в том числе одной островной.
Согласно исследованиям, летом над озером Ильмень наблюдается существенное уменьшение осадков по сравнению с окружающей местностью. Поэтому подсчет осадков целесообразно производить раздельно для холодного и теплого периодов.
Средний по водоему слой осадков x определим методом среднего арифметического значения.
x = ∑xi / n
.
Таблица 4.2
Осадки на зеркало озера Ильмень
Номер по рис.4.1Пункт наблюденияОсадки за холодный период (I-IV,XI,XII), ммОсадки за теплый период (VI-X), мм1Новгород213,8268,72Войцы231,9327,43Старая Русса301,4281,1Сумма747,1877,2
В результате расчетов получены суммы осадков:
за холодный период среднее арифметическое значение X = 747,1 / 3 = 249 мм,
за теплый период X = 877,2 / 3 = 292,4 мм.
За год X = 541,4 мм.
В объемных единицах Wо.с = 541,4 ∙ 2090 = 0,54 ∙ 2090 ∙ 106 =1128,6 ∙ 106 м3
Общее приходное составляющее водного баланса за 1975 год равно
∑П = 12256 ∙ 106 + 1128,6 ∙ 106 = 13384,6 ∙ 106 м3
.2 Расчет расходных составляющих водного баланса
.2.1 Сток воды из водоема
Сток воды из водоема определяется по данным измерений на гидрологическом посту г. Новгород, расположенном на реке Волхов, вытекающей из озера.
Qст = 510 м3/с,
или Wст = 510 ∙ 31,5 ∙ 106 = 16065 ∙ 106 м3.
.2.2 Испарение с поверхности озера
) Испарение с поверхности воды определим по формуле ГГИ
E = 0,14n (e - e )(1+ 0,72u ).
Согласно исследованиям, незначительные колебания метеорологических элементов на акватории озера Ильмень позволяют принять при расчетах данные о температуре и влажности воздуха по наиболее характерной станции д.Войцы.
Расчет испарения начинаем с определения средней длины разгона воздушного потока над озером. Для этого на план водоема рис. 4.2 и 4.3 нанесем две системы прямоугольных сеток из параллельных профилей.
Таблица 4.3
Расчет средней длины разгона воздушного потока, км
НаправлениеНомер профиляСред. знач.123456789101112Север - юг9.615.219.022.429.632.231.623.415.618.010.87.419.6Запад-восток2.412.816.828.437.841.443.229.221.61.223.5Сев.- запад - юго-восток13.220.824.630.022.423.828.438.422.88.00.621.2Сев.- восток - юго-запад23.632.235.936.234.834.217.29.65.43.62.521.4
Средняя длина разгона для данного направления профиля вычисляется как среднее арифметическое из длин всех профилей этого направления.
Средний за сезон процент случаев направления ветра по румбам:
с + Nю = 19.6 %
Nз + Nв = 23.5%
Nсз + Nюв = 21.2%
Для всей акватории водоема средняя длина разгона вычисляется по формуле
Lср = 0,01 [Lс-ю (Nс + Nю) + Lз-в (Nз + Nв) + Lсз-юв (Nсз + Nюв) + Lсв-юз (Nсв + Nюз)]
ср = 0,01 [19.6 ∙ 32 + 23.5 ∙ 17 + 21.2 ∙ 26 + 21.4 ∙ 25 ] = 21.2 км
Определяем значения средних месячных скоростей ветра над озером на высоте 2 м по формуле: u = K K K uф
В соответствии с описанием метеостанции, устанавливаем значения коэффициентов K=1.3, K=1.0, K=1.0
Таблица 4.4
Расчет средней месячной скорости ветра над водной поверхностью на высоте 2 м
МесяцUф(м/с)KKKU (м/с)IV4.61.31.01.05.98V4.41.31.01.05.72VI4.61.31.01.05.98VII3.31.31.01.04.29VIII3.11.31.01.04.03IX5.01.31.01.06.50X4.31.31.01.05.59XI4.71.31.01.06.11
Среднюю влажность воздуха над озером определим по формуле
= e´ + (0,8e - e´)M,
Таблица 4.5
Расчет средних месячных значений упругости водяного пара над озером на высоте 2 м.
Месяц или периодt °Ct´ °Ct - t´ °Ce´мбарe мбарMe мбар12345678IV4.79.6-4.97.18.50.457.0V14.314.6-0.311.416.30.3412.0VI16.815.11.712.719.20.3413.6VII21.518.43.115.625.70.3417.3VIII18.215.32.91420.90.3414.9IX13.212.80.412.415.20.3412.3X5.04.30.77.18.70.347.11-20 XI0.61.8-1.24.26.40.344.5
В графе 1 таблицы записываем расчетный интервал.
В графе 2 приведены исходные данные средней по акватории температуры поверхности воды за расчетные интервалы времени.
В графе 3 приведены средние за расчетные интервалы времени значения температуры воздуха на высоте 2м по данным наблюдений опорной метеостанции Войцы.
Значения графы 4 получены как разность данных 2 3 граф таблицы.
В графу 5 помещены средние за расчетные интервалы времени упругости водяного пара на высоте 2м (абсолютной влажности воздуха) по данным наблюдений опорной метеостанции.
В графу 6 записываем максимальную упругость водяного пара, определенную с помощью таблиц по средней температуре поверхности воды за расчетный интервал времени.
В графу 7 записываем значения коэффициента трансформации M, определенные по спец. таблице в зависимости от соотношений t и t´ и средней длины разгона воздушного потока над водоемом.
В графе 8 приведены искомые средние месячные значения упругости водяного пара над озером.
Таблица 4.6
Расчет испарения с поверхности озера Ильмень за интервалы времени безледоставного периода.
E = 0,14n (e - e ) (1+ 0,72u )
Месяц или периодne мбарe мбарu м/сE ммIV308.57.05.9833.4V3116.312.05.7295.5VI3019.213.65.98124.8VII3125.717.34.29149.1VIII3120.914.94.03101.6IX3015.212.36.5069.2X318.77.15.5934.91-20 XI206.44.56.1128.7Сумма637,2
) Испарение с поверхности льда и снега за период с 20 ноября по 31 марта.
E = 0,37nd
n = 131 день
d = 0,74 мбар
E = 0,37 ∙ 131 ∙ 0,74 = 35,9 мм
Суммарное испарение за год E = 637,2 + 35,9 = 673,1 мм
или Wисп = 0,673 ∙ 2090 ∙ 106 = 1406,6 ∙ 106 м3
.3 Расчет аккумуляционных составляющих
Аккумуляция воды в озере Ильмень определена по разности средних уровней на 1 января 1975 и 1976 гг.
Средний уровень, приведенный к единому нулю графика, рассчитан по трем водомерным постам, как средний арифметический.
Таблица 4.7
Расчет аккумуляции в озере Ильмень
Nпо рис 4.1Водомерный пост1.01.1975г H см1.01.1976г H смH H -H см1Ужин3982141842Коростынь4002121883Войцы399212187Среднее399213186
Объем сработанной в течение 1975 года призмы составил
Wак = 1,86 ∙ 2090 ∙ 106 = 3887,4 ∙ 106 м3
.4 Увязка водного баланса
H´ = ∑Пр - ∑P ± ∑A
H´ = 13384,6 ∙ 106 - 17471,6 ∙ 106 + 3887,4 ∙ 106 = 199,6∙ 106 м3
Полученная невязка прибавлена пропорционально к приходной части баланса, которая меньше расходной. В уравненном виде водный баланс представлен в таблице 4.8.
Таблица 4.8
Водный баланс озера Ильмень за 1975 год
Элементы приходаОбъем, 106 м3Слой, мм%Элементы расходаОбъем, 106 м3Слой, мм%Поверхностный приток12397,6593271Сток16065768692Осадки1140,65466Испарение1406,66738Аккумуляция3933,4188223Расход17471,68360100Приход17471,68360100
Относительная невязка баланса равна
ε = 199,6 ∙ 106 =1,14%
,6 ∙ 106
Вычисление возможной суммарной ошибки произведено по формуле
σ = ± √δ1 2 + δ2 2 +…+ δ n 2,
При этом предполагается, что осадки компенсируются испарением и ошибка водного баланса оценена по трем составляющим: приток, сток и аккумуляция.
Погрешность учета притока на гидрометрических створах принята ± 5%.
Погрешность учета притока с неизученной площади ±15%
Точность учета стока принята ± 5%.
Случайная ошибка определения среднего уровня озера принимается равной ± 2см.
Абсолютная ошибка аккумуляции равна ∆ = 0,02 ∙ 2090 ∙ 106 = 41,8 ∙ 106 м3,
а относительная ошибка
δ = 41,8 ∙ 106 =0,24 %
,6 ∙ 106
Суммарная ошибка расчета
σ = √ 5,252 + 52 + 0,242 = 7,25%
Таким образом, σ = 7,25% ,что говорит о достаточной точности расчета водного баланса.
Используемая литература
1. А.А.Самохин, Н.Н.Соловьева, А.М.Догановский " Практикум по гидрологии". -Л.:Гидрометеоиздат 1980г.
. З.А.Викулина "Водный баланс озер и водохранилищ Советского Союза".- Л.: Гидрометеоиздат, 1979г.
. Б.Б.Богословский "Водный баланс и термика озер и водохранилищ". - Л. 1979г.
. "Ресурсы поверхностных вод СССР". - Том 2, часть 1, "Карелия и Северозапад", 1969г.
. Метеорологический ежемесячник за 1975 год, - выпуск 3, часть II.
. Справочник по климату СССР, - выпуск 3. 1972 год.
Приложение
Исходные данные.
Атмосферные осадки, мм
СтанцииIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIНовгород30,114,42447,341,7100,327,540,730,627,946,551,5Войцы30,317,118,970,478,891,327,681,526,022,244,151,1Старая Русса49,520,437,286,652,794,428,353,626,425,742,465,3
Упругость водяного пара (абсолютная влажность воздуха), мбар
СтанцииIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIНовгород4,73,65,37,011,011,514,413,011,77,24,54,5Войцы4,63,45,27,111,412,715,614,012,47,14,24,3Старая Русса4,83,65,47,211,012,415,013,611,77,24,34,6
Скорость ветра, м/с
СтанцииIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIНовгород4,94,23,23,33,33,52,72,83,73,83,85,8Войцы5,84,74,04,64,44,63,33,15,04,34,76,8Старая Русса2,82,52,02,31,92,31,61,62,42,52,44,1
Повторяемость ветра по 8 румбам, %
Станция Войцы
Направление ветраIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIГодСеверное44718191724191142311Южное36162818141313122718243121Западное14238897981519201613Восточное6367853166114Северо-восточное5231771210717116Юго-восточное1372717271067177161014Юго-западное152578122420182619262619Северо-западное7201474121528710101012
Температура воздуха, °C
СтанцииIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIНовгород-2,5-5,60,15,814,114,818,515,612,54,4-5,8-3,4Войцы-2,7-6,5-0,39,614,615,118,415,312,84,3-6,2-3,6Старая Русса-2,2-5,70,912,014,615,218,315,612,94,8-6,8-2,8
Дефицит влажности воздуха, мбар
СтанцииIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIНовгород0,60,71,12,66,16,17,55,73,31,40,80,5Войцы0,60,71,02,46,05,06,04,12,81,51,00,6Старая Русса0,60,71,33,26,85,66,65,03,81,81,20,6
Температура поверхности воды, °C
Гидрол. постыIVVVIVIIVIIIIXXXIд.Ужин5,613,616,421,217,812,94,90,20,3д.Коростынь5,013,717,121,918,313,25,21,20,4д.Войцы4,515,717,021,518,413,64,87,00,5
Уровни воды на 1.01.1975г и1.01.1976г, см
Гидрол. посты1.01.19751.01.1976д.Ужин398214д.Коростынь400212д.Войцы399212