Анализ натурных измерений на озере Шира в летний период 2013–2014 гг.

Соленые озера представляют собой неоценимую кладовую для такого важного ресурса как лечебные воды и грязи. Очень часто они становятся центром курортной зоны и актуальнейшая задача современности – сохранение ценнейших природных объектов. Примером такого озера в республике Хакасия (Россия) является озеро Шира. При функционировании курортных зон очень часто возникают проблемы, связанные с антропогенным воздействием, т.е. загрязнением озер вследствие производственной деятельности человека. Для озера Шира такая опасность возникает, например, при попадании сточных вод в озеро. Известно, что изменение состава воды способно привести к появлению сине-зеленых водорослей и уменьшению лечебных свойств воды. Нахождение взаимосвязи между различными гидрофизическими параметрами течения по результатам натурных измерений представляет собой очень сложную и трудоемкую задачу гидрофизики стратифицированных водоемов и решается она, как правило, большим научным коллективом [1], [2].

Ввиду возможной опасности загрязнения озера Шира проводится постоянный мониторинг экологической обстановки. Он включает в себя целый комплекс исследований: биологических и химических свойств воды; длительные измерения температуры, ветра и скорости в озере. Полученные значения с одной стороны являются показателями экологического состояния озера, с другой представляют собой начальные данные и средство верификации для программ трехмерных расчетов при математическом моделировании течений в озере Шира.

Измерения глубины озера, температуры воды, солености, химического состава воды начались еще в 1957 году. Используя современные измерительные приборы, оказалось возможным определить скорость движения воды в озере в летний период [3], [4]. В данной работе анализируются длительные измерения основных гидрофизических величин в озере Шира в летний период.

1. Озеро Шира представляет собой бессточное озеро с единственным притоком в виде речки Сон. Количество пресной воды, поставляемой этим притоком, невелико, и до некоторых пор это не принималось во внимание. По данным измерений известно, что глубина озера изменяется в пределах 5 метров с периодом в несколько десятилетий (рис. 1).

Определяющим фактором движения в озере Шира является ветровое воздействие.

Рис. 1. Батиметрия озера Шира

2. Измерения скорости и направления ветра проводились с использованием локальной метеостанции Vantage PRO 2, размещенной непосредственно на берегу озера. Расположение поселка Шира и местом на берегу озера, где проводились измерения, видны из рис. 2. Расстояние между поселком и озером около 12 км.

Рис. 2. Расположение поселка Шира и озера Шира

Результаты измерения ветра в районе озера Шира (июнь-июль 2014 г.) представлены в виде розы ветров на рис. 3 (левая часть). Видно, что преобладающим в этот период был юго-западный ветер 5-7 м/с (слева).

На правой части рис. 3 изображена роза ветров, полученная с использованием данных метеостанции, расположенной в районе станции Шира.

Сравнение данных для двух метеостанций показывает хорошее совпадение по величине ветра, что касается направлений, то основные направления повернуты относительно друг друга на угол порядка 40 градусов, что необходимо учитывать при дальнейших исследованиях.

Рис. 3. Роза ветров для озера Шира в период с 19 июня по 31 июля 2014 г.

Рис. 4 детализирует изменчивость силы ветра в период с 3-го по 30 июля 2014 г., измерения на берегу озера.

Рис. 4. Величина скорости ветра в июле месяце (3-30) на озере Шира,

данные получены при сглаживании по трем точкам

Анализ показывает, что среднее значение величины скорости ветра в поселке равно 2.2054 м/c (рис. 5), а на озере 2.2999 м/c. Из рис. 4 видно, что на озере практически всегда есть, пусть и небольшой (1 м/c), ветер.

Рис. 5. Величина скорости ветра в июле месяце (3-30) в поселке Шира,

данные взяты с сайта http://rp5.ru/

3. Измерения температуры воздуха проводились на берегу озера и в поселке Шира в 2013–2014 гг.

Из рис. 6–7 видно, что точки локальных экстремумов температуры совпадают, но в точках локальных минимумов значения температуры воздуха на озере больше, чем в поселке.

Рис. 6. Значения температуры воздуха в период с 11 по 30 июня 2013 г.

по измерениям локальной метеостанции (озеро Шира) и в поселке Шира.

Пунктирная линия – температура на озере, сплошная линия – температура в поселке.

Рис. 7. Значения температуры воздуха в период с 4 по 30 июля 2014 г.

по измерениям локальной метеостанции (озеро Шира) и в поселке Шира.

Пунктирная линия – температура на озере, сплошная линия – температура в поселке.

4. Длительные измерения температуры воды проводились в 2013–2014 гг. термисторными датчиками (рис. 8).

Рис. 8. Картина установки датчиков температуры воды на озере

2013 г. – слева и 2014 г. – справа

Длительные измерения температуры воды 2013 г. проводились с точностью до 0.5 градуса, но, тем не менее, позволили выяснить картину появления устойчивой летней стратификации в результате весеннего нагрева. Были обнаружены колебания изотерм, типичные для внутренних волн, что подтвердилось наблюдениями 2014 г. (рис. 9–10).

Рис. 9. Колебания изотерм в двух точках озера 2013 г.

Рис. 10. Колебания изотерм в двух точках озера 2014 г.

5. Измерения скорости течения (рис. 11) проводились допплеровскими профилографами скорости ADCP 1200 и ADCP 600.

Рис. 11. Расположение точек измерения течения 2014 г.

Измерения скорости течения на нескольких горизонтах позволили определить средние значения скорости течения на различных глубинах.

В таблице 1 приведены средние значения при измерении прибором ADCP 1200.

Таблица 1

Таблица средних значений модуля горизонтальной составляющей скорости

на всех измеренных горизонтах

Максимальные значения средних скоростей наблюдаются на верхней границе термоклина (глубина 3.7 м) и в зоне термоклина (глубина 9.7 м).

Влияние резкого уменьшения силы ветра демонстрирует рис. 12.

Рис. 12. Слева: значения скорости ветра по измерениям локальной

метеостанции (озеро Шира) в период резкого изменения ветра;

справа: значения модуля горизонтальной скорости на тот же период времени

Выводы

1.    В первом приближении для расчетов можно брать начальные данные для температуры и ветра из измерений в поселке Шира с учетом поправки на направление ветра.

2.    Соответствие между величинами скорости ветра и средних значений скорости горизонтального течения следующее: при средней величине скорости ветра порядка 2 м/c средние скорости течения 2-4 см/c. 

3.    Резкие изменения силы ветра приводят к появлению эффектов колебания для горизонтальных составляющих скорости течения.

Литература:

1.      Гилл А. Динамика атмосферы и океана / А. Гилл. Пер. с англ. В.Э. Рябина, Ф.Н. Филатова, ред. Г.П. Курбаткина. – М.: Мир, 1986. – 415 с

2.      Зацепин А.Г. Изменчивость поля течений в прибрежной зоне Чёрного моря по измерениям донной станции ADCP / В.Б. Пиотух, А.О. Корж, О.Н. Куклева, Д.М. Соловьёв. Океанология, 2012. – № 5. – С. 629–642.

3.      Баранов В.И. Пространственно-временная изменчивость основных характеристик озера Шира в сезоне наблюдений 2011-2012 гг. / В.И. Баранов и др. Вестник Бурятского государственного университета. Математика Информатика, 2013. – № 9. – С. 148–156.

4.      Компаниец Л.А. Теоретические и экспериментальные исследования скоростного режима озера Шира в летний период / Л.А. Компаниец, Т.В. Якубайлик, Л.В. Гаврилова. Препринт, ИВМ СО РАН, СФУ. – Красноярск, 2012. – 47 с.