Комплексное изучение озер (стр. 1 )

ГЛАВА VIII КОМПЛЕКСНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОЗЕР

1. Введение. В хозяйственной жизни нашей страны озерный фонд играет важную роль, благодаря своим рыбным богатствам, запасам солей, диатомита и сапропеля. Свойства озер, как регуляторов стока, используют при строительстве гидростанций. Многие озера являются транспортными и сплавными водными путями.

Чтобы получить всестороннее представление о водоеме, исследования озер производят комплексным методом.

Кроме сведений, изложенных в этой главе, см. также гл. XXV (изучение водной растительности, § 19) и гл. XXVI (сбор рыб, § 28 и водные сборы беспозвоночных, § 31).

2. Инструменты и оборудование. В зависимости от размеров водоема применяются суда различного типа: на больших озерах работы в открытой части производят только с палубных судов, но даже на сравнительно крупных водоемах можно пользоваться лодками, достаточно устойчивыми для производства работ. На мелководных озерах пользуются лодками малой осадки или надувными резиновыми. Желательно иметь небольшой мотор или парус. Шпринтовое парусное вооружение, благодаря простоте своего устройства, является наиболее подходящим (см. т. I, гл. VIII, § 11). Лодка должна быть снабжена якорем с канатом, длина которого равна утроенной глубине в точке наблюдения.

Для спуска приборов в лодке устанавливается переносная лебедка типа Витинга-Кузнецова, «Нева», «Луга» и др. Приспособление для спуска приборов можно оборудовать самим, для чего необходимо иметь ручной ворот или вьюшку для наматывания троса и блок-счетчик, или просто блок, который подвешивают на конце выстрела, укрепленного за мачту {рис. 1). Приборы спускаются на гибком 2—3-мм металлическом тросе с пеньковым сердечником, или на пеньковом лине, предварительно намоченном и обтянутом, размеченном на метры, цветными тряпочками. Следует периодически проверять разметку линя, чтобы избежать ошибки, обусловленной его растяжением. Сезалевые и хлопчатобумажные лини мало пригодны.

При работах со льда применяются специальные возки, перевозимые на сарях (рис. 2). Складные возки облегченного типа, установленные на лыжи, или полозья, можно сделать из листов фанеры или полотнищ палаток, обогревая их примусом или керосинкой. Для пробивания лунки во льду употребляется обычная пешня; для вычерпывания сколотого льда—сачок из металлической сетки; при промерных работах пользуются специальным ледовым буром.

Для топографических работ пользуются различными угломерными приборами и нивелиром. Во всякой экспедиции должна иметься буссоль Шмалькальдера, карманный нивелир или ватерпас, мерная лента, складные рейки и два анероида-высотомера (см. т. 1, гл. XV и XVI). При промерных работах для определения положения судна применяют шлюпочный компас с пеленгатором или промерный секстан.

Для измерения глубин применяется конический лот Воронкова (рис. 3), позволяющий одновременно производить и визуальную оценку грунта; на озерах, дно которых покрыто жидким илом, применяют металлический круг или утяжеленный деревянный.

Для взятия проб грунта и сбора донной фауны пользуются драгами (см. гл. XXVI, § 31) и дночерпателями; из последних наиболее распространены дночерпатели типа Экмав-Берджа и Петерсена. Первый состоит из металлической коробки, верхняя часть которой закрывается двумя крышками на петлях, а нижняя двумя створками. Дночерпатель опускается на дно с раскрытыми створками, которые закрываются посредством пружин, действующих после удара посыльного груза, опускающегося по тросу, о стопорное приспособление (рис. 4). Дночерпатель Петерсена состоит из двух створок, утяжеленных металлическими пластинами. Створки в раскрытом виде удерживаются предохранительной чекой (которая соскакивает при опускании прибора на дно) и подтягиваются одна к другой металлическим тросом, находящимся внутри дночерпателя (рис. 5).

Для взятия иловых колонок, с целью изучения стратиграфии донных отложений, употребляют стратометр Перфильева двух типов: простой и «ударный»; последний путем последовательного поднимания и опускания рамы с грузом, при помощи троса, забивается в грунт. При работах на больших озерах, для взятия колонок грунта, применяют тяжелые трубки морского типа—Экманаидр.; для бурения иловой толщи озер—буры различного типа: ручной бур, желонку Славянова, илобур Перфильева, илобур Валяш-ко и др.

Для производства гидрометеорологических наблюдений над водной поверхностью необходимы: термометр-пращ, психрометр Ассмана (большая модель), анемометр Фусса (см. гл. XXIV), вымпел и компас для определения направления ветра; для измерения уровня воды—водомерная рейка, которую можно изготовить самим, нанося на обструганную доску сантиметровые деления масляной краской или выжигая их. Течения в озере определяются поплавком Митчеля, состоящим из двух сосудов одинаковой высоты и диаметра, соединенных тросом. Нижний сосуд загружают так, чтобы верхний погрузился в воду до горлышка (рис. 6). Вместо поплавка можно пользоваться обыкновенной бутылкой, погруженной в воду до горлышка.

Толщина ледяного покрова измеряется ледомерной рейкой (см. гл. VI, § 2).

Рис. 1. Оборудование судна для спуска приборов.
Рис. 2, Гидрологический возок для зимних работ на озере 1) дверь, 2) печь, 3) стол, 4) окно, 5) полка, 6) рундук, 7) люк, 8) блок-счетчик, 9) лебедка, 10) блок (по ).
Рис. 3. Лот Воронцова.
Рис. 4. Дпочерпатель Экмана-Берджа.
Рис. 5. Дпочерпатель Петерсена.
Рис. 6. Поплавок Митчеля.

Для измерения температуры воды поверхностного слоя озера применяют родниковый термометр (см. гл. VI, § 2). Температура воды на глубине измеряется глубоководным опрокидывающимся термометром. Он состоит из стеклянного футляра, в который помещены два термометра, по одному производится отсчет температуры воды, второй служит для введения поправки на расширение столба ртути в первом, во время его подъема на поверхность и производства отсчета. Первый основной термометр имеет петлеобразный капилляр, соединяющий его с резервуаром с ртутью. Термометр опускается в перевернутом виде. После его опрокидывания столбик ртути в первом термометре отрывается и показывает температуру воды на глубине, на которой производилось измерение. При отсутствии глубоководного термометра можно пользоваться инерционными, которые легко сделать самому. Для этого в обычном, достаточно чувствительном, термометре шарик с ртутью покрывают слоем парафина или воска. Перед производством наблюдений необходимо определить инерцию термометра в сосуде с водой.

Глубоководный термометр опускают на специальной раме (простейшая из них—рама Ерша) (рис. 7), или же вставляют в гильзу, прикрепленную к опрокидывающемуся ба7ометру. Можно измерять температуру воды также и термометром, вставленным в батометр Руттнера (см. ниже).

Для взятия проб воды наиболее удобен опрокидывающийся батометр Кнудсена, который при опускании на глубину свободно прорезает толщу воды (рис. 8). Прибор состоит из металлического стержня, на одном конце которого имеется зажим для троса, вращающийся на шарнире, а на другом стопорное приспособление, удерживающее батометр в перевернутом виде. К стержню приделан латунный цилиндр с коническими насадками, снабженный двумя клапанами, закрывающими верхнее и нижнее отверстия цилиндра при помощи пружины, находящейся внутри прибора. Емкость батометра 1 л; к нему прикрепляются две гильзы для глубоководных термометров. Замыкание батометра производится посыльным грузом, опускаемым по тросу; после удара груза о спусковое приспособление клапаны закрываются, и батометр, описав полуокружность, повисает на тросе на нижнем зажиме. Для выливания воды из прибора на одном конце его имеется специальный краник, а на другом клапан для впуска воздуха. Батометры можно спускать сериями для одновременного взятия проб воды с разных глубин.

Для небольших озер удобен батометр Руттнера (рис. 9)—стеклянный цилиндр, внутри которого проходит металлический стержень с прикрепленными к нему замыкающими клапанами и спусковым устройством. Внутри батометра укреплен термометр. Закрывание прибора достигается простым подергиванием троса.

Взятие проб воды производят и более простыми приборами. Простейший из них—бутылка с грузом, из которой, после опускания ее на нужную глубину, резким рывком линя выдергивают пробку (см. гл. VI, | 2). Она может применяться при работе на глубине до 10 м и обладает существенным недостатком, т. к. пробы воды, взятые этим прибором, не пригодны для газового анализа. Более совершенным является псевдобатометр Верещагина (рис. 10). Пррбор состоит из трехгорлой склянки; в центральную горловипу вставляется пробка с термометром, в одну из боковых—стеклянная, доходящая почти до дна склянки трубка, к которой прикреплена резиновая заборная трубка, спускаемая в воду. К концу последней прикреплен небольшой груз в виде двух металлических дисков. Трубка размечается на метры, в растянутом виде (с диском), для забора воды из определенного слоя. В другое горло вставляется короткая трубка для высасывания воздуха из прибора ртом или ручным насосом. При работе прибор помещают на дне судна.

Для определения прозрачности воды применяется диск Секки— металлический круг (рис. 11) диаметром в 30 см, выкрашенный в белый цвет. К нему с нижней стороны прикрепляется груз, а сверху, для удержания диска в горизонтальном положении—металлическая трубка, в которую пропускается трос. Такой диск можно приготовить самому. Цвет воды определяется по шкале Фореля-Уле, состоящей из рамки в которую вставлены эталоны—стеклянные трубки в количестве 21, с окрашенной жидкостью. Гаммы тонов шкалы—от синего, через сине-зеленый, зелено-желтый до коричневого. Шкала эта не охватывает все многообразие цветов, которым обладает вода в озерах и поэтому часто пользуются бумажными шкалами, из которых наибольшее распространение имеют шкала Клингзика и Вале.

Рис. 7. Рама Ерша.
Рис 8. Батометр Кнудсена.
Рис. 9. Батометр Руттнера.
Рис. 10. Псевдобатометр Верещагина.
Рис. 11. Диск Секки.
Рис. 12. Качественная планктонная сеть Апштейна.
Рис. 13. Захлопывающаяся количественная сеть Дягеди.
Рис. 14. Замыкатель для планктонной сети Корншнского—Дерюгияа.

Для химических анализов воды необходима полевая гидрохимическая лаборатория, смонтированная в ящиках. Ее можно собрать самому в любой гидрохимической лаборатории. Для проб воды необходим также набор склянок с притертыми пробками емкостью 150—200 мл (с целью определения растворенного кислорода.) Объем этих склянок предварительно точно устанавливается, на каждой алмазом наносится объем и номер. Для взятия проб на солевой анализ необходимы склянки объемом в 1 л, с резиновыми пробками. Склянки, обложенные стружкой или сеном, перевозятся в ящиках с гнездами.

Для, определения величины активной реакции воды в полевых условиях пользуются шкалами рН, состоящими из пробирок с буферными растворами, окрашенными индикаторами, причем в каждой пробирке раствор имеет определенную величину рН. Пользуются и искусственно окрашенными эталонами; простейшей является цветная бумажная шкала с универсальным индикатором.

Для определения плотности рапы соленых озер нужен ареометр, разделенный на градусы Воме (до 0,1—0,2°) и сосуд, в который наливается рапа при производстве измерения.

При гидробиологическом изучении озер необходимо следующее оборудование: для сборов планктона—планктонные сети из шелкового мельничного газа № 75 (бывш. № 25) и с более редкой ячеей. Сеть состоит из металлического кольца, обшитого материей, к которой пришит конус из мельничного газа. К верхнему концу конуса прикреплен шнур для спуска, а к нижнему—планктонный стаканчик, в котором скапливаются, после фильтрации воды, организмы. В количественных сетях к кольцу дополнительно пришивается усеченный конус из плотной материи, пришитый в верхнем конце к кольцу меньшего диаметра. Для качественных сборов применяют сеть Апштейна (рис. 12). Длина сетяного конуса ее около 55 см, диаметр металлического кольца— 25 см. Для количественных ловов наиболее удобна захлопывающаяся сеть Джеди (рис. 13). Диаметр верхнего кольца сети—12 см, нижнего—17 см, длина надставного конуса—40 см, а конуса из шелкового газа—47 см. Для замыкания сети пользуются замыкателем Коржинскрго—Дерюгина (рис. 14).

Для сбора планктона применяют также осадочный метод. Для. этого необходима широкогорлая литровая банка или литровая кружка, широкогор-лый' сосуд для отстаивания планктона и сифончик, сделанный из резиновой и стеклянной трубок (для отсасывания лишней воды после осаждения планктона). На заборный конец стеклянной трубки надевается кусочек планктонного газа (рис. 15).

Качественные сборы донной фауны производятся драгами, количественные—дночерпателями. На больших озерах применяют также тралы различных типов. Для промывания грунта с организмами употребляются мешки из крупноячеистого мельничного газа, натянутые на металлическое кольцо или раму и сита из тонкой металлической проволоки. В прибрежной зоне пользуются также скребками и сачками.

При изучении ихтиофауны необходимы ставная сеть и бредень для лова рыбы, небольшие весы, штангель-циркуль, препаровальные ножницы. скальпель и пинцет, блокноты или чековые книжки для сбора чешуи. Для хранения коллекций пользуются широкогорлыми стеклянными банками, металлическими шведскими банками или цинковыми ящиками с герметически завинчивающимися крышками.

Из прочего оборудования необходимы: склянки с корковыми пробками, емкостью в 150—200 мл, для сборов планктона, емкостью 250—500 мл, для сборов донной фауны, грунтов и ихтиофауны; не размокающая в воде пергаментная бумага для писания этикеток и завертывания сухих образцов грунта; 40% формалин и 96° спирт для фиксирования биологических сборов и грунтов; не смываемая в воде тушь для писания этикеток; записные книжки и тетради в коленкоровом переплете для ведения дневников и журналов; часы и фотоаппарат.

3. Методы исследования. Простейший метод исследования озер— кратковременное их изучение при маршрутно-экспедиционных работах дает возможность получить представление о морфологии озерной котловины и основных особенностях водной массы озера. Обычно этот метод применяется при изучении какого-либо озерного района, когда необходима характеристика возможно большего числа озер, находящихся на его территории. Повторные исследования водоемов в характерные сезоны (весна, лето, осень, зима) или, как минимум—летом и зимою—дают представление об их режиме. При длительном базировании на берегу какого-либо озера возможна организация полустационарных наблюдений. Для изучения круглогодичных и многолетних циклов изменений режима озер устраиваются озерные станции и наблюдательные посты, проводящие исследования по особым программам и инструкциям.

4. Морфология и генезис озерной котловины тесным образом связаны с формированием и развитием рельефа озерного района. Поэтому морфологические исследования озер должны быть увязаны с общими геоморфологическими исследованиями данной территории.

Перед полевыми работами необходимо ознакомиться с картографическим материалом; особенно ценны гипсометрические карты района и крупномасштабные карты озер. Необходимо также использовать материалы аэрофотосъемки; анализ их может значительно облегчить и сократить полевые работы. Аэрофотоснимки дают общее представление об особенностях рельефа озерного бассейна, морфологии и строения берегов, характере озерной котловины и о морфологическом тине озер; по ним можно выяснить также распределение зарослей высшей водной флоры, степень заболоченности бассейна и др.

Все многообразие морфологических особенностей озер можно свести к трем основным типам: озера котловинные, плотинные и смешанного типа. Образование их может быть обусловлено самыми разнообразными процессами: ледниковая и послеледниковая эрозия и аккумуляция, резная эрозия и аккумуляция, тектонические движения, термокарст (в области вечной мерзлоты), карстовые процессы, морозное выветривание и другие формы денудации, деятельность ветра, вулканизм, обвалы и оползни, деятельность моря (в прибрежных районах), деятельность биосферы (органогенные котловины).

В строении озерного ложа различают склоны, имеющие тот или иной уклон и дно, более или менее ровное. Кроме того, выделяют прибрежную-, или литоральную зону (границей ее считают глубину, до которой доходят подводные заросли растений); переходную, или сублитораль, и глубинную—профундаль. В очень глубоких озерах (напр., Байкал) выделяют еще область больших глубин—абиссаль. В прибрежной зоне различают еще элитораль—участок дна, покрываемый водой только при высоком стоянии уровня воды в озере, и супралитораль—берег у уреза воды, омываемый прибоем.

В ранней стадии существования озера первоначальный рельеф его ложа является мало измененным. Затем котловина постепенно заполняется наносами, благодаря речным выносам и абразии берегов, и первоначальные черты рельефа постепенно сглаживаются. Продукты размывания берегов, отлагаясь на дне, образуют подводные террасы, а в предустьевых участках рек—дельты и бары. По мере дальнейшего заполнения котловины осадками, озеро мелеет и начинает зарастать по всей площади дна. Конечной стадией эволюции водоема, в условиях влажного климата, является превращение его в верховое болото, а в аридных странах—в солончак. Процесс заполнения озерной котловины вызывает изменения водного режима, физико-химических свойств водной массы озера и его биологии.

а) Топографические работы. При отсутствии карты достаточно крупного масштаба производится съемка озера тем или иным способом, в зависимости от поставленной задачи, начиная с простейшей буссольно-глазомерной и съемки засечками с разбитого на берегу базиса и кончая точными инструментальными съемками (см. т. I, гл. XV).

б) Промеры глубин производят либо со льда, либо с лодки. Первый способ является более точным, т. к. расстояние между промерными точками можно непосредственно измерить мерной лентой.

Промеры производят при штилевой погоде по заранее намеченным поперечным створам, закрепленным на берегу вехами и отмеченным на карте. Помимо полных профилей через все сечение озерного ложа, для большей детализации рельефа дна, производят также и полупрофили до заранее намеченной глубины. Конечная точка полупрофиля точно фиксируется. При производстве промеров с лодки положение промерных точек определяется, как указано в гл. X, § 2; пеленгование с лодки производится при помощи буссоли Шмалькальдера, шлюпочного компаса с пеленгатором или промерного секстана. Угол между крайними из пеленгуемых точек должен находиться в пределах от 30 до 150°. Для производства пеленгования лодка ставится на якорь.

Расстояние между промерными точками измеряют гребками. Обычно измерение глубины производят через каждые 20—30 гребков, но при крутом падении дна они делаются чаще (через 5— 10 гребков). Через каждые 150—200 гребков становятся на якорь и определяют положение промерной точки. Необходимо контролировать правильность движения лодки по створу. На время производства промеров устраивается временный водомерный пост, привязанный к реперу; последний должен быть, в свою очередь, по возможности привязан к системе опорных реперов данного района. Водомерный пост устраивают с целью выяснения, к какому горизонту воды относятся промеры.

По данным измерения глубин составляют батиметрическую карту озера, которая является основным документом для суждения о морфологии озерного ложа. По ней вычисляют главнейшие морфометрические величины (длина, ширина, площадь, объем, извилистость и развитие береговой линии и др.), являющиеся количественными показателями морфологических особенностей озера, и вычерчивают батографические и объемные кривые. Способы вычисления морфометрических величин можно найти в соответствующих руководствах (Верещагин, 1930; Муравейский,

в) Изучение морфологии и строения берегов. Метопы морфологического, изучения берегов морей и озер описаны в гл. X. Мы описываем только те работы, которые производятся при комплексных лимнологических исследованиях.