Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 556.555 (476) (043.3)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Закономерности формирования термического и ледового режимов озёр Беларуси

по специальности 25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Кирвель Павел Иванович

Минск, 2010



Работа выполнена в Белорусском государственном университете

Научный руководитель - Власов Борис Павлович доктор географических наук, доцент, заведующий научно-исследовательской лабораторией озероведения Белорусского государственного университета

Официальные оппоненты: Кадацкий Валерий Борисович доктор географических наук, профессор, профессор кафедры физической географии Учреждения образования «Белорусский государственный педагогический университет им. М. Танка»

Грядунова Оксана Ивановна кандидат географических наук, старший преподаватель кафедры физической географии Учреждения образования «Брестский государственный университет им. А.С. Пушкина»

Оппонирующая организация - Государственное научное учреждение «Институт природопользования Национальной академии наук Беларуси»

Защита состоится 29 сентября 2010 г. в 14.00 на заседании совета по защите диссертаций Д 02.01.06 при Белорусском государственном университете (220030, г. Минск, ул. Ленинградская 8 , Белорусский государственный университет, юридический факультет, ауд. 407.

Телефон учёного секретаря (8-017) 209-55-58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского

государственного университета.

Автореферат разослан «26» августа 2010 г.

Учёный секретарь

совета по защите диссертаций,

доктор географических наук, профессор В.Н. Губин



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Изучение закономерностей термического и ледового режимов озёр с целью прогнозирования их изменений во времени, а также влияния, как на внутриводные процессы, так и на окружающий водосбор является одной из основных задач физической географии. Знание тепловых процессов в водоёмах позволяет выявить причины многих явлений, происходящих в водной среде, и в атмосфере, а также проследить пути эволюции естественных водных экосистем. Озёра представляют собой сложную термическую гидроэкосистему. Повышение температуры воды уменьшает содержание кислорода, увеличивает продолжительность периода свободного ото льда и раннее вскрытие ледяного покрова на озёрных водоёмах, существенно усложняет условия среды обитания гидробионтов.

Учитывая, что термический и ледовый режимы озёр напрямую определяются климатическими условиями, а современный климат испытывает тенденцию к повышению температуры воздуха, возникает необходимость оценить изменения температуры воды, их связь с морфометрическими и морфологическими особенностями водоёмов, влияния гидрологических параметров, условий замерзания и вскрытия, воздействия льда на формирование ложа и береговую линии озёр. Данные анализа пространственно-временных изменений температуры воды и ледовой обстановки озёр как в современных условиях, так и при изменении климатической ситуации в ближайшем будущем могут служить основанием для оптимизации направлений хозяйственного использования водных ресурсов озёр с учётом сохранения лимносистем.

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью выявления генетических изменений в лимносистемах и закономерностей, определяющих формирование и развитие термической структуры в озёрах Беларуси. озеро ледовый климатический

Связь работы с крупными научными программами и темами. Диссертационные исследования выполнялись в рамках ГПОФИ «Природо-пользование» (задание 11 «Изучение тенденций развития природных и искусственных гидроэкосистем замедленного водообмена под воздействием циклических биосферных процессов и антропогенных факторов и разработка путей оптимизации их режима для устойчивого использования» (№ гос. регистрации 20061203), 2006-2010 гг.); НИР «Выявление закономерностей формирования термического и ледового режимов озёр Беларуси» по заданию Министерства образования Республики Беларусь, 2008 г., № гос. регистрации 20080875.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в выявлении закономерностей пространственно-временной изменчивости ледово-термического режима в условиях Беларуси, с учётом тенденций потепления климата и их количественной оценке. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) проанализировать и обобщить материалы многолетних рядов наблюдений за гидрологическими и метеорологическими характеристиками термического и ледового режимов озёр Беларуси, оценить влияние природных условий и морфометрических особенностей водоёмов на сезонный ход температуры воды, выявить пространственно-временные изменения температуры в годовом термическом цикле и определить закономерности их формирования;

2) исследовать влияние водности года на температурный режим озёр и определить особенности многолетней динамики изменения и цикличности их теплозапасов;

3) изучить закономерности испарения с водной поверхности озёр в условиях изменяющегося климата и разработать прогноз его развития;

4) выявить закономерности формирования ледового режима и дать прогноз ледовой обстановки озёр Беларуси на ближайшую перспективу, оценить влияние льда на формирование береговой линии озёр и разработать модель его нарастания;

5) выполнить комплексную ледово-термическую типизацию озёр Беларуси.

Объектом исследования являются 22 репрезентативных озера Республики Беларусь, площадью от 0,17 до 79,62 км², имеющих различные типы котловин и местонахождение. Ключевыми из них стали 8 крупных водоёмов, на которых ведутся гидрологические наблюдения более 40 лет: Сенно, Нещердо, Освейское, Дривяты, Нарочь, Мястро, Выгонощанское, Червоное.

Предмет исследования - закономерности термического и ледового режимов озёр Беларуси.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты оценки пространственно-временных закономерностей термического и ледового режимов озёр, проявляющиеся в изменении средне-декадных, среднемесячных, максимальных и среднегодовых температур воды и их теплозапасов; дат перехода температуры воды через 0,2; 4 и 10 ^оС весной и осенью; влияния водности года на термический режим.

2. Количественные изменения термического режима водоёмов, установленные на основании анализа данных метеорологической информации и хронологического хода их элементов за безлёдовый период, позволившие оценить пространственную структуру испарения с водной поверхности и дать прогнозные оценки на краткосрочную перспективу.

3. Закономерности изменения фаз ледового режима, выражающееся в сдвиге дат наступления и окончания ледостава, его влияния на абразионно-аккумулятивные процессы и развитие береговой линии, послужившие разработке модели нарастания льда.

4. Комплексная ледово-термическая типизация озер Беларуси, на основании ледово-термических и динамических процессов, а также анализа их географических особенностей.

Личный вклад соискателя. Диссертационная работа является самостоятельно выполненным научным исследованием, основанным на обработке и анализе материалов инструментальных наблюдений Департамента по гидрометеорологии (1945-2007 гг.), литературных и картографических материалов, а также личных экспедиционных исследований автора, проводимых на протяжении 2003-2009 гг. Соискателем самостоятельно сформированы электронные базы данных гидрологической информации с использованием существующих методических подходов, включавшие статистическую обработку, анализ и обобщение полученных результатов, на основе методов математической статистики. Выявлены закономерности формирования термического и ледового режимов озёр Беларуси, составлены карты испарения с поверхности водоемов за безледовый период на современном этапе, и прогнозная на краткосрочную перспективу; оценены изменения фаз ледового режима в условиях изменяющегося климата и создана расчётная модель нарастания льда, позволяющая прогнозировать динамику формирования ледового покрова на озёрах; установлена роль льда в формировании береговой линии озёр; выполнена комплексная ледово-термическая типизация озёр. На основании полученных результатов сделаны научные обобщения и выводы.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции, посвящённой 30-летию кафедры общего землеведения и лаборатории озероведения БГУ «Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии» (Минск, 2003); II Республиканской научно-практической конференции «Антропогенная динамика ландшафтов и проблемы сохранения и устойчивого использования биологического разнообразия» (Минск, 2004); Международной научной конференции «Прыроднае асяроддзе Палесся: асаблiвасцi i перспектывы развiцця» (Брест, 2006, 2008); IV Международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Минск, 2007); 7-й Международной научной конференции «Сахаровские чтения 2007 года: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2007); IV Международном экологическом симпозиуме «Региональные проблемы экологии: пути решения» (Новополоцк, 2007); Научно-практической конференции «Теория и практика восстановления внутренних водоемов» (Санкт-Петербург, 2007); Международной научно-практической конференции «Наука, образование и культура: состояние и перспективы инновационного развития» (Мозырь, 2008); Международной научно- практической конференции «География в XXI веке: проблемы и перспективы развития» (Брест, 2008); 1-й Международной научно-практической конференции «Озера та штучнi водойми Украпни: сучасний стан й антропогеннi змiни» (Луцк, 2008); V Международной научной конференции «Теоретические и прикладные аспекты современной лимнологии» (Минск, 2009).

Опубликованность результатов диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в 26 научных работах (16 без соавторов), в том числе 6 статей (2,4 авт. листа) в рецензируемых научных изданиях согласно перечню ВАК Республики Беларусь, 6 статей (1,9 авт. лист) в научных журналах и сборниках статей, 1 статья (0,1 авт. листа) в научно-популярном журнале, 13 (1,5 авт. листа) - материалы и тезисы конференций. Общий объём материалов составляет 5,9 авт. листа.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырёх глав с краткими выводами, заключения, библиографического списка, включающего 246 источников и 5 приложений. Общий объём диссертации составляет 210 страниц, в том числе 100 стр. текста, 51 иллюстрация на 48 страницах, 24 таблицы на 20 стр. и 42 страница приложений.



ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе освещены природные условия Беларуси, дана характеристика озёрного фонда, приводится описание основных геогра-фических и морфометрических характеристик исследованных репре-зентативных озёр, отражена методология и методы исследования, анализируется изученность проблемы.

К настоящему времени в мире накоплен значительный материал по термическому и ледовому режиму озёр, позволяющий анализировать их изменения и выявлять закономерности. Наибольший вклад внесли работы А. Фореля, Д. Хатчинсона, Л.Л. Россолимо, В.Р Хомскиса, И.В. Молчанова, К. Паталаса, Л.Ф. Форш, Н.И. Семеновича, В. Левиса, С.П. Китаева.

Исследованию закономерностей формирования и прогнозов термического и ледового режимов водоёмов посвящены работы белорусских учёных Б.Б.Богословского, Г.М. Базыленко, А.Г. Булавко, Г.Г. Винберга, Б.П. Власова, А.А. Волчека Л.В. Гурьяновой, Ю.Н. Емельянова, И.С. Захаренкова, И.И. Кирвеля, В.Ф. Логинова, П.С. Лопуха, В.П. Романова, Я.Я. Якубовского, О.Ф. Якушко и др.

Основой формирования термического и ледового режимов озёр Беларуси являются зональные (географическая широта и особенности климата (перенос воздушных масс, приток солнечной радиации), осадки и др.) и азональные (расчленённость рельефа, характер озёрных котловин, и др.) факторы, а также хозяйственная деятельность человека.

Установлена связь среднегодовой температурой поверхности воды озёр с географической широтой местности (рисунок 1).



Рисунок 1 - Связь между среднегодовой температурой поверхности воды озёр (1963-2007) и географической широтой местности.

Озёра: 1 - Освейское, , 2 - Нещердо, 3 - Дривяты, 4 - Мястро, 5 - Нарочь, 6 - Сенно, 7 - Выгонощанское, 8 - Червоное

Учитывая увеличение рядов наблюдений за температурой воды и ледовым режимом озёр, уменьшение количества гидрологических постов, роста влияния климатических и антропогенных факторов на термику озёр, возникла необходимость комплексного анализа изменения термического и ледового режимов озёр Беларуси с целью разработки прогнозов их изменения в будущем.

Во второй главе отражены температурные особенности озёрных регионов Беларуси, раскрывающие закономерности формирования температурного режима озёр, периодов годового термического цикла и условия их определяющие. Установлено, что даты максимальной температуры воды, смещаются на конец июля-начало августа, при этом август можно считать самым засушливым летним месяцем. Наибольший рост температур воды в августе фиксируется в 2000-х годах (рисунок 2).

Выполненный анализ за 62 года внутрисезонного хода температуры воды, на примере Нарочи и Червоного, показал, что в 1970-х годах прогрев воды озёр был заметно меньше предыдущего и последующих десятилетий. В 1980-ые годы особенно был ощутим рост температуры в конце мая - начале июня (на 1,1-3,8 ^оС) и в конце октября (на 1,0-1,9 ^оС). В 1990-ых годах - конце апреля - начале мая (на 1,4-2,7 ^оС). В летний период на озере Нарочь наблюдалось увеличение температуры в первых двух декадах июня и июля (на 1,3-1,9 ^оС), также в первой и третьей декадах августа, где наблюдался максимум (на 2,1-3,0 ^оС), а на озере Червоном - в первых двух декадах июня (на 1,8-2,4 ^оС) и в июле, с максимумом роста за данный временной ход (на 3,7 ^оС). В осенний период рост температуры наблюдался в конце сентября - середине октября (на 1,6-3,1 ^оС). В 2000-х годах наблюдалось увеличение роста

Рисунок 2 - Тенденция изменения средней температуры воды в августе, в озёрах Нарочь и Червоное

температур (за исключением первой декады апреля и первых декад ноября) для всех месяцев, где наиболее яркий пик роста был зафиксирован во второй и третьей декадах июля (на 3,7-4,0 ^оС). Обращает на себя внимание увеличение летних температур более 20 ^оС с пяти декад в 1970-х годах до девяти в 2000-х. Наибольший диапазон изменчивости среднедекадной температуры воды наблюдается во второй декаде мая (11,2 ^оС), а минимальный - в начале апреля и конце ноября (3,1-3,7 ^оС соответственно). Таким образом, наблюдения за температурой воды на озёрах Нарочь и Червоное в период 1945-2007 гг. показывают, что в последние десятилетия наблюдалось устойчивое повышение температуры за безледовый период на 2,0 и 1,9 ^оС соответственно, в среднем, на 0,5 ^оС каждые 10 лет.

Исследование пространственно-временных изменений температуры водной массы, в условиях потепления климата показало, что наиболее выраженый рост температуры воды наблюдается на озёрах Белорусского Поозерья и приходится на весенние месяцы (от 1,5 до 2,9 ^оС). Для озер Белорусского Полесья рост температуры воды менее выражен и приходится на осенние месяцы (от 0,7 до 1,6 ^оС). Максимальный рост температуры воды наблюдается в третьей декаде апреля и в ряде случаев превышает 1 ^оС. Проведенная оценка степени однородности основных характеристик временых рядов температуры воды озер Беларуси за период инструментальных наблюдений позволяет сделать вывод о наличии статистически значимых изменений в динамике температуры воды озер Беларуси, обусловленных как естественно-климатическими, так и антропогенными изменениями гидрологического цикла.

Разный характер изменения термического режима озёр Беларуси находится в зависимости от характера преобразования водосборов. Результаты исследований подтверждают двойственный характер водности года на температурный режим озёр. Для озёр Белорусского Поозерья эта роль весьма значительна, а для озёр Белорусского Полесья это значение крайне мало или вовсе отсутствует.

В результате проведённого анализа метеорологических данных по метеостанциям в районах озёр установлено, что воздействие этих водоёмов на температуру и относительную влажность проявляется неодинаково. Ширина зоны прямого влияния озер на водосбор по периметру в охлаждающий период составляет до 300 м, а в отепляющий - до 50 м.

На основании анализа данных теплозапасов озёр и использования статистических методов (проверки временных рядов на однородность с использованием автокорреляционных функций) определена многолетняя динамика их изменчивости, установлены циклы со средним периодом 3 и 11 лет, подтверждаемые параметрами хаотизации от 0 до 0,87.

В третьей главе выполнен анализ пространственно - временных изменений испарения с поверхности водоёмов Беларуси в современных условиях и дан его прогноз.

Рисунок 3 - Карта испарения с поверхности водоемов Беларуси за безледовый период (апрель - ноябрь), мм

Получены расчетные величины испарения с водной поверхности на основании осредненных метеорологических данных (атмосферные осадки, температура и дефициты влажности атмосферного воздуха, скорость ветра) за период с 1985 по 2005 год по 40 метеостанциям, равномерно расположенным по территории Беларуси, и построена карта, отражающая современную ситуацию (рисунок 3). Измеренные величины (по пяти метеостанциям Василевичи, Полесская, Полоцк, Нарочь и Минск) служили контролем при расчетах величин испарения с водной поверхности, сравнительный анализ которых подтверждает корректность полученных результатов (R= 0,94).

Анализ испарения с водной поверхности на территории Беларуси показал, что произошли заметные изменения. В целом, величина испарения с водной поверхности уменьшилась на 12-14 %, и в большей степени эти изменения коснулись северной части Беларуси (до 22 %). Это подтверждают полученные линейные тренды и регрессионные зависимости по метеостанциям Беларуси, показывающие убывание данной величины, где её скорости разнятся по территории, что связано с особенностями ветровой структуры сформировавшейся на территории Беларуси в современных условиях, которая наиболее существенно изменилась во временном интервале, по всем метеостанциям. Доля вклада скорости ветра в изменение испарения с водной поверхности представлена в виде номограммы на рисунке 4.

Выполненные исследования ветрового режима над водоёмами республики позволили количественно оценить влияние высоты береговых препятствий на снижение скорости ветра и длину участка, где это снижение происходит. Установлено, что коэффициент уменьшения испарения определяется с учётом средней скорости ветра на защищённом участке озера и скорости ветра перед препятствием. Расчёты показали, что в зоне влияния препятствий уменьшение испарения в водоёмах составило 19-23 % и возросло до 27-32 % в зоне наиболее интенсивного нарастания скорости ветра.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Номограмма изменения относительной величины испарения с водной поверхности в зависимости от начальной скорости ветра и процента ее изменения

Для оценки изменения испарения с водной поверхности в ближайшем будущем выполнен комплексный анализ изменения гидрометеорологических характеристик и определены их величины на 10 летнюю перспективу. При этом принималась гипотеза, что тенденция природных процессов, сложившаяся в последние 20 лет, не претерпит существенных изменений. Временной ход колебаний испарения с водной поверхности отслеживался с помощью хронологических графиков и разностных интегральных кривых. Его колебания описаны с помощью модели Маркова со сдвигом до 11 лет. Для оценки различий в режиме испарения с водной поверхности использованы статистические критерии Стьюдента (оценка выборочных средних) и Фишера (оценка выборочных дисперсий). На основании анализа цикличности во временных рядах с помощью автокорреляционной (АКФ) и частной автокорреляционной функций (ЧАКФ) удалось построить ряд прогнозных моделей, позволяющих дать оценку динамики процесса с заблаговременностью в 1 год. По результатам регрессионно-корреляционного анализа построены прогнозные модели, со статистически значимыми коэффициентами корреляции. Они отражают закономерности колебаний испарения с водной поверхности и могут использоваться для краткосрочного прогноза.

По результатам расчетов были построены карты изменения величин испарения с водной поверхности за безледовый период (рисунок 5), а также карта самих величин (рисунок 6).

Рисунок 5 - Карта изменения испарения с поверхности водоемов Беларуси за безледовый период на 2015 год, мм

Анализ картографических материалов позволяет утверждать, что существенных изменений в интенсивности испарения с водной поверхности не произойдет, за исключением юга Беларуси. Дело в том, что два главных фактора, определяющих интенсивность испарения с водной поверхности, скорость ветра и температура воздуха, имеют разнонаправленные градиенты и взаимно компенсируют свои воздействия.

Рисунок 6 - Карта испарения с поверхности водоемов Беларуси за безледовый период на 2015 год, мм

Скорость ветра имеет тенденцию к уменьшению и, причем в большинстве случаев, статистически значимую, которая приводит к снижению интенсив-ности испарения с водной поверхности. Температура воздуха имеет тенденцию к росту повсеместно, а её рост приводит к увеличению скорости испарения с водной поверхности. На юге Беларуси в формировании испарения с водной поверхности больший вклад принадлежит скорости ветра, в то время как на северо-востоке и северо-западе республики на первый план выступает температура воздуха.

В четвёртой главе раскрыты результаты исследований ледового режима озёр Беларуси. Проанализированы условия формирования льда и ледовых явлений на озёрах. Выявлено, что сроки наступления ледовых явлений зависят, в первую очередь, от изменения метеоусловий (температуры воздуха, скорости ветра) и, в среднем, для всех озёр не превышают 10 дней, однако в отдельные годы могут составлять 1,5 месяца и больше. Величины максимальной толщины льда колеблются от 64 до 80 см, на образование которого затрачивается 18-22 % объёма водной массы водоёма. Весенние ледовые явления зависят от климатических факторов и, в первую очередь, от суровости зимы, которая определяет толщину льда, а также от перехода средней суточной температуры воздуха через 0 ^оС к положительным значениям и составляют от 3 до 47 дней.

Ледовый режим озёр Беларуси в последние 20-25 лет претерпел существенные изменения, основной причиной которых явился устойчивый положительный тренд зимних температур воздуха на фоне общего повышения среднегодовых температур воздуха. Наступление ледостава наблюдалось на 2-6 дней позже, по сравнению с периодом климатической нормы. В тоже время продолжительность осенних ледовых явлений существенно не изменилась, а даты их начала сдвинулись на более ранние сроки на мелководных открытых озёрах и более поздние на озёрах с большой массой воды и значительным теплозапасом. Средняя продолжительность ледостава за последние два десятилетия на озёрах Беларуси сократилась на 6-15 дней по сравнению с предшествующим тридцатилетним периодом. Практически на всех водоёмах республики в последние два десятилетия наблюдается уменьшение толщины льда и её максимальных величин на 1-13 см, а среднегодовой - на 4-9 см, при этом увеличилась повторяемость лет с неустойчивым ледоставом, по сравнению с предшествующим тридцатилетним периодом, причём наиболее интенсивно процесс сокращения толщины льда наблюдается с 1986 г.

Анализ метеорологической и гидрологической информации позволил определить сдвиг фаз ледового режима, изменение толщины льда и их распределение в пространственно-временном интервале. Дан прогноз ледовой обстановки на ближайшую перспективу, при существующей тенденции изменения климата (таблица 1).

Таблица 1 - Прогнозные характеристики ледового режима озёр Беларуси

Озеро	Дата	Продолжительность, дни	Макси-мальная толщи-на льда, см
	начала осенних ледовых явлений	начала ледостава	начала разруше-ния льда	оконча-ния ледостава	очище-ния ото льда	ледостава	Периода свобод-ного ото льда
Освейское	17.11	29.11	19.03	02.04	04.04	125	231	41
Нещердо	11.11	01.12	26.03	07.04	11.04	127	213	40
Дривяты	20.11	01.12	19.03	05.04	07.04	127	229	37
Мястро	28.11	07.12	11.03	30.03	04.04	114	236	43
Нарочь	07.12	21.12	21.03	05.04	08.04	105	245	41
Сенно	09.12	15.12	24. 03	02.04	04. 04	110	251	? 42
Червоное	19.11	24.11	14.03	21.03	22.03	114	245	34
Выгонощанское	14.11	29.11	16.03	20.03	26.03	114	243	35

На основании данных наблюдений создана расчётная модель нарастания льда, в основу которой положена установленная в полевых исследованиях физическая закономерность, учитывающая стратификацию температур воздуха и воды, когда в определенные периоды обнаруживается тенденция участия эндогенного тепла в процессе оттаивания льда, баланс тепловых потоков.

, (1)



где k - поправочный коэффициент расчёта; - градиент изменения температуры воздуха,

- толщина слоя снега и льда, см,

- теплопроводность снега и льда (Вт/м ^оС),

- перепад температуры, равный примерно постоянной температуре воды (4^оС),

- теплопроводность i-го слоя воды,

- слой воды.

Проверка адекватности уравнения проводилась на независимом 2005-2006 гидрологическом году и показала высокую сходимость наблюденных и вычисленных величин. Коэффициент корреляции связей равен в среднем 0,87. Значение поправочного коэффициента колеблется от 0,76 для озера Червоного до 0,94 для озера Освейского. В связи с трудоёмкостью расчётов предложенной модели, нами для практического применения построены эмпирические зависимости, отражающие динамику максимальной толщины льда от метеоусловий.

По проведённым экспедиционным исследованиям установлена и оценена роль влияния льда на формирование береговой линии озёр, вычислены величины массива грунта, изымаемые всплывающим льдом из тела литорали, определён объём переработки береговых склонов (м³/пог. м.).

С учётом генетических особенностей озёр, их географического положения, морфологических и морфометрических параметров, распределения тепла в водной толще, особенностей ледового режима и существующих типизации Б.П. Власова (2004) и классификации и О.Ф. Якушко (1971), выполнена комплексная ледово-термическая типизация озёр Беларуси, позволившая выделить 4 типа и 6 подтипов. При этом главным критерием созданной типизации является перепад температуры воды по глубине летом, температурная характеристика водной массы, характер ледовой обстановки.

Тип I (холодные). Отличительной особенностью озёр является чёткая летняя температурная стратификация с разделением на слои, где на долю гиполимниона приходится около 50 % водной массы. Характерна небольшая мощность эпилимниона (3-4 м), за которой следует зона температурного скачка (2-3 м), где наблюдается резкое падение температуры 3,5-5 ^оС /м. Разница температур поверхности и дна летом составляет 15-16 ^оС, причём на дне температура не достигает 4 ^оС. Зимой наблюдается обратная температурная стратификация, но без разделения на температурные слои. Придонные температуры низкие от 1,8 до 3,0 ^оС. Средняя толщина льда колеблется в пределах 40-50 см. Начало ледостава проявляется на 1-1,5 недели позже II типа и приходится на первую декаду декабря, а вскрытие их наблюдается на 3-4 дня раньше. Подтип I₁. Холодные поозерские ледниковые озёра. Мезотрофные с признаками олиготрофии, глубокие (Н_max > 25 м), небольшие по площади (до 3 км²) гляцигенные рытвины с удлиненной котловиной ложбинного, сложного и эворзионного типа (k_откр. - 0,02-0,6, k_{глубин.} - 4,51-21,8). Подтип I_2. Холодные полесские карстовые озёра. Мезотрофные с признаками олиготрофии, глубокие (Н_max > 20 м ), небольшие по площади (менее 1 км²) воронкообразные карстовые котловины (k_откр. - 0,04-0,07, k_глубин.-7,99-8,31).

Тип II (умеренно-холодные). Характерной чертой является хорошая укрытость котловин и грунтовое питание, создающие условия для температурной стратификации. Несмотря на их небольшие глубины (до 20 м) объём гиполимниона составляет 10-17 % водной массы, при небольшой мощности эпилимниона (3-4 м) и более значительной металимниона (5-6 м), по сравнению с I типом. Градиент температурного скачка составляет от 2,5 до 4,5 ^оС /м. Разница температур в летний период между поверхностью и дном достигает 12-14 ^оС. Зимой наблюдается обратная температурная стратификация и температуры у дна от 2 до 3,0 ^оС. Средняя толщина льда колеблется в пределах 45-52 см. Начало ледостава приходится на последнюю декаду ноября. Вскрытие наблюдается в последних числах марта-первой декаде апреля. Подтип II₁. Умеренно-холодные поозерские ледниковые озёра. Эвтрофные, неглубокие (Н_max до 20 м ), небольшие по площади (менее 2 км²) со сложными, ложбинными и эворзионными котловинами (k_откр. - 0,03-0,15, k_{глубин.} - 5,52-10,82). Подтип II₂. Умеренно-холодные полесские карстовые и суффозионно-карстовые озёра. Эвтрофные, неглубокие (Н_max до 11 м ), небольшие по площади (менее 2 км²) воронкообразные котловины (k_откр. - 0,18-0,24, k _{глубин.}-4,42-4,83).

Тип III (умеренно-тёплые). Основной закономерностью озёр этого типа является то, что температурная стратификация наблюдается лишь в тихую штилевую погоду, в зоне понижений дна (ям), при этом градиент в зоне скачка может достигать 2-2,5 ^оС /м, в силу большой площади котловин (10 км² и более) и высокому показателю открытости (от 2,0 до 8,8). В температурном режиме характерно слабое температурное расслоение. Гиполимнион выражен слабо и занимает менее 5 % водной массы. В летний период разница температур поверхности и дна достигает 5-7 ^оС. Зимние придонные температуры достигают 2,0-3,5 ^оС. Средняя толщина льда колеблется в пределах 50-55 см, в отдельные годы - до 70 см. Начало ледостава приходится на первую декаду декабря, а вскрытие на 2-3 дня позже I типа.

Тип IV (тёплые). Озёра характеризуется отсутствием температурного расслоения летом и заморными явлениями зимой. Гиполимнион отсутствует. Для температурного режима характерна гомотермия. Разница температур поверхности и дна летом может достигать 4-5 ^оС, но, в основном, колеблется в пределах 1 ^оС. Зимние придонные температуры выше 4 ^оС. Средняя толщина льда колеблется в пределах 40-55 см, однако в отдельные суровые зимы она может составлять в пределах метра. Подтип IV₁. Тёплые поозерские ледниковые озёра. Эвтрофные, мелководные (Н_max 5 м и менее), с простыми плоскими открытыми котловинами подпрудного и термокарстового типов (k_откр. - 3,5-26,4, k_{глубин.} - 0,54-1,64). Подтип IV₂. Тёплые полесские озера-разливы. Эвтрофные и дистрофирующие мелководные озёра (Н_max менее 3 м), с плоскими овальными вытянутыми котловинами, заболоченными торфянистыми берегами, способствующие интенсивному ветровому перемешиванию (k_откр. -10-58,31,k_{глубин.} - 0,2-0,4).



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные результаты диссертации

Автором, для условий Беларуси, определены закономерности формирования температурного и ледового режимов озёр на основании которых сделаны следующие выводы:

1. В результате обобщения многолетних данных инструментальных наблюдений за температурой воды озёр Беларуси установлено, что средняя многолетняя температура верхнего пятиметрового слоя определяется преимущественно географической широтой, а в слое скачка и гиполимнионе наибольшее влияние на неё оказывают их морфометрические характеристики. В годовом цикле температуры поверхности озёр влияние географической широты отражается, прежде всего, на процессах их нагревания и на значениях температуры воды в период максимального прогрева, а скорости выхолаживания водоёмов связаны преимущественно с их глубиной и площадью [1, 3, 4, 6, 13, 15, 22].

2. Статистический анализ и оценка степени однородности основных характеристик колебаний среднесуточной температуры воды в озёрах показал, что в последние два десятилетия наблюдается устойчивое её повышение за безледовый период и соответствует росту на 0,5 ^оС каждые 10 лет. Наиболее значительные отклонения от нормы (до 3,5-4,0 ^оС) наблюдаются в весенний период. В летние месяцы отклонения от среднемноголетних данных уменьшаются (0,5-1,0 ^оС), а в осенние - возрастают (до 2,5 ^оС). Отмечен переход температуры воды весной через 0,2, 4 и 10 ^оС, который происходит ранее отмечаемых сроков до периода потепления на 7 - 10 дней, а осенью на 4 - 9 дней позже обычного [8, 9, 10, 12, 24, 25].

3. Влияние водности года на термический режим водоёмов максимально проявляется для озёр Белорусского Поозерья. Водная масса прогревается быстрее и остывает медленнее в многоводном году, чем в маловодном и эта разница в первой декаде апреля варьируется от 0,7 до 6,3 ^оС, а в ноябре - от 0,6 до 4,7 ^оС соответственно. В период летней межени в маловодные годы температура выше на 1,9-4,7 ^оС многоводных лет. Влияние водности года на термический режим озёр Белорусского Полесья незначительно или вовсе отсутствует [10, 11, 18, 19, 26].

4. Получена количественная оценка изменения теплозапасов за период инструментальных наблюдений. Определено, что осреднённый диапазон колебаний градиентов теплозапасов озёр для Белорусского Поозерья составляет от 2,71 · 10¹⁵ Дж в мае до 54,56 · 10¹⁵ Дж в августе; для Белорусского Полесья - от 2,78 до 4,17 · 10¹⁵ Дж соответственно. Выявлена цикличность колебаний теплозапасов озёр Беларуси и обнаружены как короткопериодичные (3-5 лет), так и длиннопериодичные (10-11 лет) циклы [8, 9, 12, 24].

5. Выполненные исследования испарения с водной поверхности с использованением осредненных метеорологических данных за период с 1985 по 2005 год позволили построить карту испарения с поверхности водоемов Беларуси за безледовый период. Наибольшие трансформации наблюдаются в среднемесячных величинах скорости ветра. Исследовано влияние высоты береговых препятствий на скорость ветра над водоёмами. Максимальная длина зоны влияния препятствия на скорость ветра составляет 50-52 значения его высоты. Уменьшение средней величины испарения с водной поверхности водоёмов за счёт снижения скорости ветра составляет от 12 до 22 %. По результатам регрессионно-корреляционного анализа созданы прогнозные модели испарения с водной поверхности водоёмов Беларуси за отдельные интервалы времени, а также получены прогнозные численные характеристики метеорологических элементов и вычислены величины испарения с водной поверхности, по которым построены карты изменения испарения с поверхности водоемов Беларуси за безледовый период и карта испарения на ближайшую перспективу [2, 4, 5, 6, 7, 16, 17, 20].

6. За период наметившегося потепления на территории Беларуси по сравнению с периодом климатической нормы происходит более позднее наступление ледостава (на 2-6 дней), при этом средняя продолжительность его сократилась на 6-15 дней, а период свободного ото льда увеличился от 3 до 22 дней, очищение ото льда на водоёмах республики происходит за 2-4 суток после окончания ледостава. Наблюдается существенное уменьшение толщины льда и её максимальных величин на 1-13 см, а среднегодовой величины - на 4-9 см. В сроках начала разрушения льда и окончания ледостава на озёрах Беларуси отмечается тенденция к более раннему наступлению этих дат (на одну-две недели), при этом продолжительность весенних ледовых явлений на водоёмах Белорусского Поозерья существенно не изменилась, а на озёрах Полесья сократилась сроком от 3 до 7 дней. Комплексный анализ метеорологической информации позволил составить прогноз ледовой обстановки для озёр Беларуси на ближайшую перспективу с учётом сохранения тенденции потепления климата. В соответствии с прогнозом на территории Беларуси могут произойти изменения ледовой обстановки на рассматриваемых озёрных водоёмах в сравнении с периодом 1986-2007 гг.:

· даты начала осенних ледовых явлений и начала ледостава в целом по республике отодвинутся на более поздние сроки (на 2-6 дней), при этом их продолжительность увеличится также на 2-6 дней и составит от 6 до 20 суток;

· возможно произойдёт уменьшение величин максимальной толщины льда на 15-25 см, при этом её максимальные значения смещаются до 20-25 дней и фиксируются в третьей декаде февраля-первой декаде марта, тогда как раннее это было во второй-третьей декаде марта;

· сроки начала разрушения льда и окончания ледостава возможно сместятся на 5-7 суток;

· рост температуры воздуха и прогнозируемое уменьшение осадков сократит продолжительность ледостава на 3-10 дней, а период свободный ото льда увеличится на эти же сроки. Наиболее чётко эта тенденция отразится на глубоких и больших по площади озёрах [1, 4, 14, 23].

7. Экспедиционные исследования показали, что влияние льда на формирование береговой линии озёр весьма существенно. Величина массива грунта, изымаемая всплывающим льдом из тела литорали, составила от 0,061 до 0,116 м³/пог. м., при этом необходимо учитывать неоднородности грунта литорали. При подвижке льда с наступлением весны, под влиянием ветра, подо льдом формируются ветровые возмущения, которые создают подлёдные вдольбереговые течения со скоростями от 0,01 до 0,06 м/с и способствуют срезке грунта литорали за счёт выпахивания, формируя вдольбереговые экзарационные валы. Объём переработки береговых склонов изменяется от 1,5 до 2,3 м³/пог.м. Модель нарастания льда позволяет прогнозировать динамику формирования ледового покрова на озёрах Беларуси с использованием стандартной метеорологической информации, что особенно важно для озёр, на которых не проводятся специальные гидрологические наблюдения. [14, 21, 23].

8. Выделены 4 типа и 6 подтипов озёр по температурным различиям водной массы и характеру ледовой обстановки, на основании происхождения котловин, географического положения, морфологии и морфометрии: холодные, умеренно-холодные, умеренно-тёплые и тёплые, [1, 15, 16, 22].

Рекомендации по практическому использованию результатов

Результаты исследований внедрены в практику расчётных и научно-исследовательских работ ГУ «Республиканский гидрометеорологический центр», РУП «Белгипроводхоз», РУП «Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов», используются в учебном процессе при подготовке специалистов гидрометеорологического профиля Белорусского государственного университета.

На основании полученных результатов может быть проведена разработка методических и практических рекомендаций по комплексному использованию и охране озёр, а также прогнозированию качества воды различными организациями: Департаментом по мелиорации и водному хозяйству, Министерством спорта и туризма, а также специалистами в области использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных журналах

1. Кирвель, П.И. Генэзiс i марфалогiя Будавiчскай гляцыгеннай калдобiны / П.И. Кирвель, А.А. Новик // Вес. Беларус. дзярж. пед. ун-та. Сер. 3, Фізіка. Матэматыка. Інфарматыка. Біялогія. Геаграфія. - 2003. - № 2. - С. 137-140.

2. Кирвель, И.И. Ветравы рэжым над сажалкамi Беларусi / И.И. Кирвель, Ф.В. Саплюков, П.И. Кирвель // Вес. Беларус. дзярж. пед. ун-та. Сер. 3, Фізіка. Матэматыка. Інфарматыка. Біялогія. Геаграфія. - 2005. - № 4. - С. 61-63.

3. Кальмакова, Е.Г. Сучасная прасторавая структура бiягеннага сцёку рэк бассейна Нёмана / Е.Г. Кальмакова, П.И. Кирвель // Вес. Беларус. дзярж. пед. ун-та. Сер. 3, Фізіка. Матэматыка. Інфарматыка. Біялогія. Геаграфія. - 2006. - № 4. - С. 72-77.

4. . Кирвель, П.И. Особенности ледового режима озёр Беларуси / П.И. Кирвель // Вес. Беларус. дзярж. пед. ун-та. Сер. 3, Фізіка. Матэматыка. Інфарматыка. Біялогія. Геаграфія. - 2007. - № 3. - С. 59-65.

5. Волчек, А.А. Пространственно-временные изменения испарения с водной поверхности водоёмов Беларуси / А.А. Волчек, П.И. Кирвель, В.И. Мельник // Природ. ресурсы. - 2007. - № 4. - С. 14-24.

6. Волчек, А.А. Прогнозирование колебаний испарения с поверхности водоёмов Беларуси / А.А. Волчек, П.И. Кирвель // Вестн. Белорус. гос. ун-та. Сер. 2, Химия. Биология. География. - 2008. - № 2. - С. 86-93.

7. Kirvel, P.I. The spatial and temporary evaporation changes from the Belarus water reservoirs / P.I. Kirvel // Acta Geographica Silesiana / Uniw. Њl№ski, Wydz. Nauk o Ziemi. - Sosnowiec, 2009. - № 5. - P. 5-11.

8. Волчек, А.А. Пространственно-временные колебания температуры воды озёр Беларуси в условиях изменяющегося климата / А.А. Волчек, П.И. Кирвель, В.И. Мельник // Вестн. Брест. гос. техн. ун-та. - 2009. - № 2: Водохозяйственное строительство, теплоэнергетика, экология. - С. 28-34.

Статьи в сборниках научных трудов

9. Кирвель, П.И. Некоторые особенности термического режима озёр Полесского региона / П.И. Кирвель // Прыроднае асяроддзе Палесся: асаблiвасцi i перспектывы развiцця : зб. навук. прац : у 2 т. / рэдкал.: М.В. Міхальчук (адк. рэд.) [і інш.]. - Брэст, 2006. - Т. 2. - С. 467-472.

10. Волчек, А.А. Трансформация гидрологического режима озёр Белорусского Полесья и мероприятия по их оздоровлению (на примере оз. Червоное) / А.А. Волчек, П.И. Кирвель // Теория и практика восстановления внутренних водоемов : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф., Санкт-Петербург, 15-18 окт. 2007 г. / Ин-т озероведения Рос. акад. наук ; отв. ред.: В.А. Румянцев, С.А. Кондратьев. - СПб., 2007. - С. 55-62.

11. Кирвель, П.И. Закономерности формирования температурного режима озёр Беларуси в зависимости от водности года / П.И. Кирвель // Вопросы естествознания : сб. науч. ст. / Белорус. гос. пед. ун-т ; редкол.: М.Г. Ясовеев [и др.] ; отв. ред. Ф.Ф. Лахвич. - Минск, 2008. - Вып. 2. - С. 79-84.

12. Кирвель, П.И. Специфика термического режима озёр Полесья / П.И. Кирвель // Прыроднае асяроддзе Палесся: асаблiвасцi i перспектывы развiцця : зб. навук. прац / НАН Беларусі, Палес. аграр.-экал. ін-т ; рэдкал.: М.В. Міхальчук (гал. рэд) [і інш.]. - Брэст, 2008. - Вып. 1 : у 2 т, т. 2. - С. 22-26.

Статьи в научно-популярных журналах

13. Кирвель, П.И. Истоки дружбы / П.И. Кирвель // Род. прырода. - 2007. - № 4. - С. 10-11.

Материалы научных конференций

14. Кирвель, И.И. Исследования ледовых явлений на прудах Беларуси / И.И. Кирвель, П.И. Кирвель // Теоретические и прикладные проблемы современной лимнологии : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 30-летию каф. общ. землеведения и лаб. озероведения БГУ, Минск, 20-24 окт. 2003 г. / Белорус. гос. ун-т [и др.] ; редкол.: П.С. Лопух (отв. ред.) [и др.]. - Минск, 2003. - С. 216-219.

15. Кирвель, П.И. О первоочередной необходимости охраны ложбинных озёр Республики Беларусь / П.И. Кирвель // Антропогенная динамика ландшафтов и проблемы сохранения и устойчивого использования биологического разнообразия : материалы II Респ. науч.-практ. конф., Минск, 1-2 дек. 2004 г. / Белорус. гос. пед. ун-т ; отв. ред.: И.Э. Бученков, А.В. Хандогий. - Минск, 2004. - С. 24-25.

16. Кирвель, П.И. Влияние ветра на температурную стратификацию озёр / П.И. Кирвель // Сахаровские чтения 2007 года: экологические проблемы XXI века : материалы 7 Междунар. науч. конф., г. Минск, 17-18 мая 2007 г. / Междунар. гос экол. ун-т [и др.] ; под общ. ред. С.П. Кундаса, С.Б. Мельнова, С.С. Позняка. - Минск, 2007. - С. 100.

17. Волчек, А.А. Испарение с водоёмов Беларуси в современных условиях/ А.А. Волчек, П.И. Кирвель // Региональные проблемы экологии: пути решения : материалы IV Междунар. экол. симп., Новополоцк, 21-23 нояб. 2007 г. : в 3 т. / Полоц. гос. ун-т ; отв. за вып. В.К. Липский. - Новополоцк, 2007. - Т. 1. - С. 61-64.

18. Кирвель, П.И. Влияние водности года на температурный режим озёр Полесского региона (на примере озера Выгонощанское и озера Червонное) // Наука, образование и культура: состояние и перспективы инновационного развития : материалы Междунар. науч.-практ. конф., г. Мозырь, 27-28 марта 2008 г. : в 2 ч. / Мозыр. гос. пед. ун-т ; редкол.: В.В. Валетов (гл. ред.) [и др.]. - Мозырь, 2008. - Ч. 2. - С. 56-58.

19. Кирвель, П.И. Влияние водности года на температурный режим некоторых озёр Белорусского Поозерья // География в XXI веке: проблемы и перспективы развития : материалы Междунар. науч.-практ. конф., Брест, 17-18 апр. 2008 г. / М-во образования Респ. Беларусь, Брест. гос. ун-т ; редкол.: К.К. Красовский (гл. ред.) [и др.]. - Брест, 2008. - С. 28-30.

20. Волчек, А. Закономерности формирования испарения с поверхности водоёмов Белорусского Полесья / А. Волчек, П. Кирвель // Озера та штучнi водойми Украпни: сучасний стан й антропогеннi змiни : матерiали I Мiжнар. наук.-практ. конф., 22-24 трав. 2008 р. / Волин. нац. ун-т ; вiдп. ред. Ф.В. Зузук. - Луцк, 2008. - С. 23-27.

21. Кирвель, П.И. Влияние льда на формирование береговой линии озёр (на примере озера Нарочь) / П.И. Кирвель // Теоретические и прикладные аспекты современной лимнологии : материалы V Междунар. науч. конф., 10-13 нояб. 2009. - Минск, 2010. - С. 198-200.

Тезисы научных докладов

22. Кирвель, П.И. Роль морфометрических показателей в изучении термики озёр Белорусского Полесья / П.И. Кирвель // Прыроднае асяроддзе Палесся: асаблiвасцi i перспектывы развiцця : тэз. дакл. III Мiжнар. навук. канф., Брэст, 7-9 чэрв. 2006 г. / НАН Беларусі, Палес. аграр.-экал. ін-т ; рэдкал.: М.В. Міхальчук (адк. рэд.) [і інш.]. - Брэст, 2006. - С. 228.

23. Кирвель, П.И. Натурные исследования ледовых явлений на водоёмах Беларуси // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация : сб. тез. докл. IV Междунар. науч.-практ. конф. : в 3 т. / Науч.-исслед. ин-т пожар. безопасности и проблем чрезвычайн. ситуаций МЧС Респ.Беларусь ; редкол.: Э.Р. Бариев (науч. ред.) [и др.]. - Минск, 2007. - Т. 2. - С. 119-122.

24. Волчек, А.А. Оценка трансформации водного режима озёр Полесья и гидрологические аспекты их восстановления / А.А. Волчек, П.И. Кирвель // Теория и практика восстановления внутренних водоемов : тез. докл. науч.-практ. конф., Санкт-Петербург, 15-18 окт. 2007 г. / Ин-т озероведения Рос. акад. наук ; отв. ред.: В.А. Румянцев, С.А. Кондратьев. - СПб., 2007. - С. 8.

25. Кирвель, П.И. Тепловое загрязнение водоёмов / П.И. Кирвель // Теория и практика восстановления внутренних водоемов : тез. докл. науч.-практ. конф., Санкт-Петербург, 15-18 окт. 2007 г. / Ин-т озероведения Рос. акад. наук ; отв. ред.: В.А. Румянцев, С.А. Кондратьев. - СПб., 2007. - С. 30-31.

26. Кирвель, П.И. Оценка влияния водности года на температурный режим некоторых озёр Беларуси / П.И. Кирвель // Прыроднае асяроддзе Палесся: асаблiвасцi i перспектывы развiцця : тэз. дакл. IV Мiжнар. навук. канф., Брэст, 10-12 верас. 2008 г. / НАН Беларусі, Палес. аграр.-экал. ін-т ; рэдкал.: М.В. Мiхальчук , А.А. Волчак, Н.М. Шпендзiк. - Брэст, 2008. - С. 248.

Размещено на Allbest.ru