УДК 551.481.1
А.Д. Аракельянц1, О.В. Ткаченко2
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРОНОЦКОГО ОЗЕРА В НАЧАЛЕ XXI ВЕКА3
Кроноцкое озеро — самый обширный водоем Камчатки, труднодоступный и недостаточно гидрологически изученный. Приводятся составленная по промерам батиграфическая карта, координаты батиграфических кривых, уточненные размеры и морфометрические показатели чаши водоема, гидрофизические особенности и гидрохимические характеристики его водной массы.
Введение. Кроноцкое озеро находится на территории Кроноцкого государственного природного биосферного заповедника, примерно в 200 км на северо-северо-восток от г. Петропавловск-Камчатский. Площадь озера составляет 245 км2, это наиболее крупный по площади водоем Камчатки. Площадь озерного водосбора 2330 км2. Самые большие реки, впадающие в озеро, — Унана (площадь водосбора 544 км2),
Лиственничная (427 км2), Северная (185 км2) и Узон (144 км2) [1] (рис. 1). Уровень воды находится на отметке около 372 м БС. Из озера вытекает р. Кроноцкая, которая впадает в Тихий океан и имеет длину 40 км. Исток реки находится в юго-восточной части водоема между вулканами Кроноцкий и Крашенинникова.
Кроноцкое озеро расположено в межгорной котловине, поверхностный водораздел бассейна прохоРис. 1. Кроноцкое озеро. Точками показано местоположение станций гидролого-гидрохимической съемки; а — р. Кроноцкая; б — 15 км, влк. Крашенинникова; в — 11 км, влк. Кроноцкий; г — зал. Кродакыг; д — о. Бэра; е — зал. Крашенинникова; ж — р. Узон;
з — р. Унана; и — р. Перевальная; к — р. Северная; л — р. Лиственничная
дит на высоте от 800 до 3500 м БС. Выше 1000 м в бассейне распространены формы вулканогенного аккумулятивного рельефа: шлаковые и лавовые поля, шлаковые конусы, скалистые образования крутизной свыше 40°, осыпные склоны и т.д. По мере уменьшения высоты рельеф приобретает черты, характерные для низкогорий, — мягковыпуклые вершины и более пологие склоны крутизной менее 10° (вблизи озера — до 20—25°) [2]. Устьевые области крупных рек и северо-восточный берег озера заняты болотистыми низменностями.
Большая часть водосбора сложена четвертичными вулканическими породами (базальты и дациты). В бассейнах юго-западных притоков озера распространены дацитовые туфы.
Согласно климатическому районированию Камчатки [7], бассейн Кроноцкого озера относится к восточному горно-вулканическому району, для которого характерно обилие осадков, низкие значения температуры, усиление континентальности по мере удаления от океана. На восточных склонах района пасмурная и ветреная погода наблюдается в течение всего года [11]. Климат Кроноцкого озера вследствие изолированности горами от океана несет черты континен-тальности: среднегодовое количество осадков ниже, чем на побережье (350—500 и 1000—1200 мм соответственно), их максимум смещен на теплый период. Одновременно с этим от Центральной Камчатской депрессии район отличается более теплой зимой и более холодным летом (средняя температура января составляет -18 °С, июля +11 °С). По данным метеостанции, работавшей у истока р. Кроноцкой с 1966 по 1972 г., среднегодовая температура воздуха составляет -3,1 °С [1]. Через район проходит граница островной мерзлоты, сезонное промерзание почвы достигает глубины 50 см, полное оттаивание происходит во второй половине июля. Сплошной снежный покров наблюдается с октября до начала мая, первые заморозки отмечаются в начале сентября, последние — во второй декаде июня [5].
Постановка проблемы. Труднодоступность Кроноц-кого озера и суровость климата усложняют проведение полевых исследований, чем объясняется небольшое число публикаций, посвященных этому крупному водному объекту, и его недостаточная изученность. В задачи экспедиции 2010 г. входило построение батиметрической карты, определение морфометрических характеристик озера и основных свойств его водной массы. В июле и августе 2010 г. на Кроноцком озере отрядом гидрологов в составе экспедиции сотрудников и студентов МГУ были проведены измерения глубин и выполнена гидролого-гидрохимическая съемка водоема. Результаты этой работы представлены в статье.
Первое упоминание о Кроноцком озере встречается в середине XVIII в. в трудах ученого и путешественника С.П. Крашенинникова. Научные экспедиции достигли Кроноцкого озера в начале XX в. В 1908 и 1909 гг. озеро посетили отряды экспедиции Ф.П. Рябушинского, которые составили первые карты водоема, сделали измерения глубины и съемку температуры воды, однако материалы этой экспедиции не опубликованы [8]. Следующим исследователем озера был Е.М. Крохин, работавший там в апреле—мае 1935 г. в составе экспедиции Камчатской станции ВНИРО; им построена примерная батиметрическая карта и выдвинуто предположение, что по генезису Кроноцкое относится к вулканическим озерам, образовавшимся вследствие подпруживания рек продуктами вулканизма [8, 9]. Последняя публикация, в которой обсуждаются морфометрические и гидрофизические характеристики Кроноцкого озера, относится к 1975 г. [1]. В ней представлены результаты изысканий сотрудников Ленгидропроекта, проводившихся на озере и р. Кроноцкой с 1966 по 1973 г. для строительства ГЭС, которое в дальнейшем было отменено.
Материалы и методы исследований. При съемке глубин Кроноцкого озера использовался картплоттер со встроенным эхолотом &^агшт GPSMAP 4218". Датчик сонара был укреплен на деревянной штанге на корме катера и заглублен на 10—20 см под поверхность воды. Скорость катера во время промерных работ составляла 10—12 км/ч, каждые 5 с (приблизительно через 17 м пройденного пути) эхолот записывал значение глубины и координаты точки на карту памяти. По данным прибора систематическая погрешность определения координат во время съемок составляла 5—6 м, точность определения глубины ~0,2 м. Все координаты получены в системе иТМ на эллипсоиде WGS 84.
Съемка глубин осуществлялась параллельными галсами в широтном направлении через 1 км. В юго-восточной части озера с наиболее сложным рельефом дна расстояние между галсами было сокращено до 500 м, а галсы проложены и в широтном и в меридиональном направлениях. В заливах глубину измеряли по косым галсам. Работы проводили в первую половину суток (как правило, с 5:00 до 13:00), так как днем на озере почти всегда усиливаются ветер и волнение, а на рассвете долго сохраняется штилевая погода. Промеры заняли 6 дней. Уровень воды в озере за это время снизился на 10 см, поэтому он принят одинаковым для всех дней съемки. Главный недостаток батиметрической съемки — отсутствие галсов в меридиональном направлении по всей длине озера. При построении батиметрической карты отметки дна между островами и восточным берегом приняты по данным промеров глубины лотом, опубликованным в [8]. Координаты нулевой изобаты определяли по топографической карте масштаба 1:100 000.
Гидролого-гидрохимическая съемка озера проводилась 29, 30 июля и 4 августа на 9 станциях (рис. 1), где отбирали пробы воды с поверхности, с глубины 10, 20 м, затем через каждые 20 м и у дна. Сразу после подъема батометра в нем измеряли температуру и электропроводность воды, заполняли емкости на химический анализ и для определения количества
растворенного кислорода методом Винклера. Измерения на станциях № 4, 5 и 6 в западной и южной частях озера выполнены 4 августа. Разница в пять дней между первым и последним днем съемки не повлияла на ее результаты.
Ионный состав воды изучали на географическом факультете МГУ в лаборатории гидрохимии. Концентрацию хлоридов и сульфатов определяли методом капиллярного электрофореза, щелочность — ациди-метрическим методом, жесткость и содержание кальция — трилонометрическим методом. Содержание натрия и калия раздельно не определяли, оно получено по разнице измеренных значений концентраций анионов и катионов (мг-экв).
Результаты и их обсуждение. Построенная батиметрическая карта водоема (рис. 2) впервые подробно характеризует строение его котловины и позволяет обсудить гипотезу подпрудно-лавового происхождения озера, предложенную в [8, 9], определить его морфометрические характеристики и оценить значение коэффициента водообмена. По результатам гидролого-гидрохимической съемки проанализированы термическая структура водоема и ее пространственная неоднородность, распределение растворенного кислорода и минерализации воды, а также особенности химического состава воды. Кроме того, полученные нами данные позволили сравнить Кроноцкое озеро с другим крупным водоемом Камчатки — Курильским озером.
По данным измерения глубины на западе и севере озера в рельефе дна хорошо выражены долины рек, образовывавших р. праКроноцкая после слияния в центральной части современного водоема (рис. 2). Русло р. праКроноцкая прослеживается от центра озера до его юго-восточной части к заливу Кродакыг и истоку р. Кроноцкая в виде полосы дна с глубиной
Рис. 2. Батиметрическая карта Кроноцкого озера. Изобаты проведены через 20 м. Абсолютная высота водной поверхности 372 м БС.
Крестиком отмечено местоположение наибольшей измеренной глубины
Морфометрические характеристики водоема рассчитаны по данным построенной батиметрической карты. В частности, получены координаты батигра-фических кривых Кроноцкого озера (табл. 1) и рассчитан его объем W, который составил 14,2 км3 при площади акватории F = 246 км2. Если принять, что длина озера — это кратчайшее расстояние по его поверхности между двумя наиболее удаленными точками береговой линии [3], то длина Кроноцкого озера (L) составляет 30,1 км от самой южной точки уреза в заливе Крашенинникова до берега приустьевого залива р. Лиственничная. Средняя ширина озера Вср = = F/L = 8,2 км, максимальная ширина Bmax = 17,2 км, длина береговой линии 132,6 км, средняя глубина озера (#„ ) составила 58 м.
Положение центра тяжести озера (S) при условии плотностной однородности водной толщи по вертикали рассчитано по уравнению
стока незначительно увеличивает коэффициент водообмена, но при более детальном изучении водного баланса Кроноцкого озера этот фактор следует принимать во внимание.
Таблица 1
Координаты батиграфических кривых Кроноцкого озера
Высота, Z, м БС Площадь, F, км2 Объем, W, км3 Средняя глубина Нр м
где числитель определен графически по площади между объемной кривой и координатными осями, затем вычислен показатель формы котловины С = Hcp/S [3]. Так как S = 36 м, С = 1,58, то, следовательно, форма котловины Кроноцкого озера близка к параболоиду.
Исходя из предположения, что среднегодовой уровень озера стабилен, по известному среднемного-летнему расходу воды р. Кроноцкая 0ср = 42 м3/с [1] и W = 14,2 км3 рассчитали коэффициент водообмена Кроноцкого озера, который равен 0,1 год-1, среднее время пребывания воды в озере приблизительно 10 лет. Сотрудниками Ленгидропроекта был обнаружен интенсивный подземный сток из озера вследствие фильтрации воды сквозь лавовую плотину, что увеличивает расход р. Кроноцкая на 15 км ниже по течению приблизительно на 30% (верхний участок реки практически бесприточный). Учет подземного
Постоянные наблюдения в течение нескольких лет показали, что озеро относится к полностью перемешивающимся 2 раза в год голомиктическим и димик-тическим водоемам [1]. Во время гидролого-гидрохимической съемки 2010 г. Кроноцкое озеро было устойчиво стратифицировано. В юго-восточной части озера (станции № 3 и 11) температура воды убывала равномерно от поверхности до дна с 9,4 до 5,3 °С, ее вертикальный градиент не превышал 0,1 °С/м (рис. 3). У западного берега (станция № 5) температура на поверхности достигала 15,6 °С, а в северной части озера (станция № 9) — 14,7 °С. На обеих станциях до глубины 20—40 м температура воды снижается на 0,3— 0,5 °С/м, а средняя температура гиполимниона равна 5 °С (рис. 3). Температура поверхности на вертикалях станций № 4 и 7 была ниже, чем в периферийных районах, но выше, чем в заливе Кродокыг (11 °С). Зафиксировано, что температура уменьшается до глубины 20 м с градиентом 0,3 °С/м, глубже и до дна она не изменяется и составляет 4,7—4,9 °С (рис. 3).
Значительное изменение температуры воды по акватории озера и постоянное отсутствие слоев температурного скачка в заливе Кродокыг отмечено в работе [1]. Это позволяет предположить, что зафиксированные съемкой различия вертикальной термической структуры между районами озера характерны для всего периода интенсивного нагрева водоема и связаны с особенностями его внутреннего водообмена и его положением относительно Тихого океана.
Юго-восточная часть озера значительно сильнее подвержена влиянию океана, что хорошо заметно в летний период, когда от океана вдоль р. Кроноцкая регулярно поднимается холодный влажный воздух, вызывающий сильные туманы в зал. Кродокыг и восточной части озера, в то время как у западного и северного берегов сохраняется ясная и теплая погода [1]. В типичном морском климате при медленном нагреве, частых штормовых ветрах и холодном лете температура эпилимниона остается невысокой, "что уменьшает устойчивость металимниона и способствует турбулентному переносу тепла в глубины озер" [14, с. 170], при этом границы стратифицированных слоев разрушаются, а температура начинает равномерно убывать с глубиной, как и отмечено в зал. Кродокыг на станции № 3 (рис. 3). Можно предположить, что именно усиление континентальности климата способствует формированию слоя температурного скачка в центральной части озера. Кроме того, равномерное снижение температуры с глубиной наблюдается около подветренного берега водоема после интенсивного нагона, вызвавшего даунвеллинг, который вполне возможен на Кроноцком озере во время частых сильных штормов. Более высокие значения температуры воды в периферийных районах озера (рис. 3) также могут быть следствием уменьшения влияния океана и поступления в озеро более теплых вод притоков. Для обоснованного выяснения причин особенностей термической структуры Кроноцкого озера необходимо сопоставить данные гидрологических съемок и синхронных метеонаблюдений.
Распределение растворенного кислорода и электропроводности воды, в отличие от температуры, было практически одинаково на всех станциях. Содержание растворенного кислорода во всей водной толще Кроноцкого озера близко к полному насыщению, количество растворенного кислорода увеличивалось с глубиной одновременно с уменьшением температуры воды. Таким образом, в летний период в озере наблюдается характерный для глубоких холодных и полностью перемешивающихся водоемов орто-градный тип распределения кислорода по глубине. Удельная электропроводность воды, приведенная к 18 °С, во всех отобранных во время съемки пробах варьировала от 91 до 118 мкСм/м и увеличивалась с глубиной. В дальнейшем химический анализ показал, что увеличение электропроводности с 99 до 118 мкСм/см соответствует незначительному повышению минерализации от 52,3 до 53,8 мг/л (табл. 2). Следовательно, летом минерализация воды по глубине и акватории Кроноцкого озера практически не изменяется.
Анализ химического состава воды выполнен для четырех проб, отобранных в центральной части озера
Г, ° С
-1 ----2--3 -А-4
Рис. 3. Вертикальное распределение температуры воды 29.07.— 04.08.2010: 1 — в юго-восточной части озера на станции № 3; 2 — в центральной части на станции № 7; 3 — в западной части на станции № 5; 4 — в северной части на станции № 9
на станции № 7. Установлено, что в среднем на долю гидрокарбонатов приходится 46%-экв/л, на кальций и магний — по 19%-экв/л. В абсолютных значениях концентрация гидрокарбонатов составляет в среднем 38 мг/л, сульфатов — 2,5, хлоридов — 0,5. По вертикали химический состав не изменяется. Минерализация воды колеблется от 52 до 54 мг/л (табл. 2). В предыдущих исследованиях [1, 8] показано, что вода Кроноцкого озера слабощелочная (pH 7,4—7,5) и очень мягкая. Таким образом, по классификации О.А. Алекина, она относится к гидрокарбонатному классу, кальциевой и магниевой группе первого типа, ей присущи типичные черты этого типа: образование при выветривании изверженных пород, слабая щелочность и мягкость [12].
Кроноцкое озеро можно сравнить с Курильским озером, расположенным в той же климатической подобласти на юге п-ова Камчатка [7], но в районе с более мягкой зимой (средняя температура февраля равна -8,7 °С [4]). Курильское озеро имеет меньшую площадь (79,3 км2) и объем, близкий к объему Кроноцкого озера, — 14,6 км3 [13]. Курильское озеро относится к голомиктическим димиктическим водоемам с выраженной стратификацией водной толщи по глубине в теплый и холодный периоды. Температура гиполимниона составляет 3—4 °С, температура воды
Таблица 2
Основной солевой состав воды Кроноцкого озера 30.07.2010 на ст. № 7
Глубина, м Форма выражения НС03- эо2- Ог Сумма анионов Са2+ Мя2+ Сумма катионов Сумма ионов Электроотрицательность, мкСм/см Преобладающие ионы
мг-экв/л 0,62 0,05 0 0,67 0,21 0,26 0,2 0,67 1,34
%-экв/л 46,3 3,4 0,3 50 15,9 19,1 15 50 100
мг-экв/л 0,62 0,04 0,02 0,68 0,26 0,26 0,17 0,68 1,36
%-экв/л 45,6 3,2 1,2 50 18,8 18,8 12,5 50 100
мг-экв/л 0,62 0,06 0,01 0,69 0,21 0,26 0,22 0,69 1,37
%-экв/л 45,2 4,2 0,6 50 15,5 18,6 15,8 50 100
мг-экв/л 0,63 0,05 0,01 0,69 0,26 0,26 0,18 0,69 1,38
%-экв/л 45,6 3,7 0,7 50 18,5 18,5 13,1 50 100
№ И О ч к
о и №
[ч->
на поверхности озера не превышает 11 °С, при этом по акватории температура воды распределена значительно равномернее, чем в Кроноцком озере: максимальная разница составляет 3 °С и наблюдается только при длительном действии ветра западного и северозападного направлений [6]. Для Курильского озера также характерны ортоградный тип распределения растворенного кислорода, низкая минерализация (в среднем 70 мг/л) и однородность химического состава воды, в которой, в отличие от Кроноцкого озера, преобладают катионы Ca2+ и Na+, что объясняется влиянием разгрузки геотермальных вод [10].
Заключение. Строение рельефа дна Кроноцкого озера подтверждает гипотезу о его подпрудно-лавовом происхождении. Рассчитанный объем озера (14,2 км3) на 1,7 км3 превышает опубликованное ранее значение [1] и достаточно близок к объему самого емкого водоема Камчатки — Курильского озера (14,6 км3). По термическому режиму и химическому составу вод в период нагревания Кроноцкое озеро во многом
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сходно с Курильским озером [4, 6, 10, 13], но имеет важную особенность — большие (до 8 °С летом) различия значений температуры поверхностного слоя и характер вертикального распределения температуры воды в разных районах водоема. Распределение растворенного кислорода в Кроноцком озере типично для глубоких холодных голомиктических водоемов.
Проведенные полевые работы носили рекогносцировочный характер, однако обновленные морфо-метрические, гидрофизические и гидрохимические характеристики могут способствовать более детальным исследованиям экосистемы Кроноцкого озера, которые в настоящее время посвящены главным образом изучению ихтиофауны.
Авторы выражают благодарность сотрудникам МГУ имени М.В. Ломоносова К. К. Эдельштейну, В.В. Пуклакову, Г.Н. Маркевичу и инспектору Кро-ноцкого государственного природного биосферного заповедника Н.Г. Чичорину за помощь в проведении полевых работ и подготовке статьи.
Поступила в редакцию 10.10.2011
A.D. Arakeliantz, O.V. Tkachenko
HYDROLOGICAL PARAMETERS OF THE KRONOTSKOYE LAKE (KAMCHATKA) AT THE BEGINNING OF THE 21ST CENTURY
The Kronotskoye Lake is the largest lake of Kamchatka, hardly accessible and poorly studied in terms of hydrology. Sounding-based depth map of the lake, coordinates of depth distribution curves, updated size and morphometric values of the lake depression are presented, as well as hydrophysical features and hydrochemical parameters of its water mass.