Циркуляция эстуарных вод контролируется притоком рек , приливами , осадками и испарением , ветром и другими океаническими явлениями, такими как подъем глубинных вод , водоворот и штормы . Модели циркуляции эстуарных вод зависят от вертикального смешивания и стратификации и могут влиять на время пребывания и время воздействия.
Время пребывания воды является ключевой переменной, определяющей здоровье эстуария , особенно от стрессов, вызванных человеком. Быстрое промывание гарантирует, что в эстуарии недостаточно времени для накопления осадка или истощения растворенного кислорода ; таким образом, хорошо промываемый эстуарий по своей сути более устойчив , чем плохо промываемый эстуарий. [1] Время пребывания также влияет на другие параметры, такие как тяжелые металлы , растворенные питательные вещества, взвешенные твердые частицы и цветение водорослей , которые могут повлиять на здоровье эстуариев. [2]
Простой способ расчета времени пребывания — использование простой классической модели эстуария, которая может быть полезна для получения концептуального понимания эстуария, но является грубой во времени и пространстве. Классический эстуарий имеет следующие компоненты: 1) приток пресной воды с расходом Q f и соленостью S f (обычно S f = 0 ); 2) океанический приток с расходом Q in и соленостью S 0 ; и 3) отток в океан с расходом Q out и соленостью S 1 . Приток и отток воды равны, поскольку масса сохраняется. Соль также сохраняется, поэтому приток и отток солености также равны. Если приток грунтовых вод и испарение игнорируются, уравнение непрерывности имеет вид:
Время пребывания T представляет собой объем пресной воды в эстуарии, деленный на скорость течения реки, и может быть приблизительно рассчитано следующим образом: [1]
где Vol — общий объем воды в эстуарии.
Время пребывания учитывает время, необходимое для того, чтобы частицы воды покинули эстуарий, однако некоторые частицы воды, которые покидают эстуарий во время отлива, могут повторно войти в систему во время прилива. Количество времени, которое частица воды проводит в эстуарии до тех пор, пока она больше не вернется, называется временем воздействия . Время воздействия может быть намного больше времени пребывания, если частицы воды покидают эстуарий с отливами и возвращаются с приливом. Соотношение между количеством частиц воды, возвращающихся в эстуарий, и количеством частиц воды, покидающих его, известно как коэффициент возврата , r .
Для того чтобы количественно оценить время воздействия, необходимо определить циркуляцию воды за пределами эстуария. Однако циркуляция вблизи устья эстуария сложна из-за приливных процессов смешивания, которые происходят между эстуарными и океанскими водами. Если побережье изрезано мысами, возникнет мозаика сложных полей течения, состоящая из вихрей , струй и зон застоя, что еще больше усложнит модели циркуляции за пределами эстуария. [1]
В случаях, связанных с дельтами или водно-болотными угодьями, которые впадают в несколько приливных ручьев, таких как залив Миссионери в Австралии , вода, выходящая из одного ручья во время отлива, может попасть в другой эстуарий во время прилива. [3] Когда задействован ряд эстуариев, большое время воздействия (большее, чем у отдельных эстуариев) будет иметь место, если приливной отток из одного эстуария снова попадет в другой эстуарий во время прилива. Однако вдоль изрезанной береговой линии с мысами смешивание эстуарных и океанических вод может быть интенсивным. Когда эстуарная вода покидает эстуарий, она вымывается в прибрежные воды, поэтому время воздействия и время пребывания примерно равны. [4]
В некоторых случаях можно измерить потоки объема, соли и температуры через устье эстуария через приливной цикл . Используя эти данные, можно рассчитать ( 1- r ) ( r - коэффициент возврата): он равен доле объема воды V TP (средний объем приливной призмы), покидающей эстуарий во время отлива, которая заменяется прибрежными водами перед повторным поступлением в систему. Когда r = 1 , та же вода возвращается в эстуарий, а если r = 0 , эстуарная вода, покинувшая эстуарий во время отлива, была заменена прибрежными водами, поступающими в эстуарий во время прилива. [1] Время воздействия τ' оценивается по формуле:
Вестуарий определяется как средний объем эстуария, а Т прилива — это приливной период. [5 ]
Общий поток солоноватой воды через устье реки во время приливов часто намного выше (часто в 10-100 раз), чем объемный поток от речного притока. Поэтому, если измерения не точны, оценка чистого потока будет ненадежной. Прямые измерения коэффициента возврата часто осложняются неустойчивыми океаническими явлениями, такими как подъем уровня воды, прохождение вихря или штормы, поэтому успех правильного прямого измерения коэффициента возврата редок. [1]
Время пребывания воды в эстуарии зависит от циркуляции в эстуарии, которая обусловлена разницей в плотности из-за изменений солености и температуры. Менее плотная пресная вода плавает над соленой водой, а более теплая вода плавает над более холодной водой (температура выше 4 °C). В результате, приповерхностные и придонные воды могут иметь разные траектории, что приводит к разным временам пребывания.
Вертикальное смешивание определяет, насколько сильно соленость и температура будут меняться сверху вниз, глубоко влияя на циркуляцию воды. Вертикальное смешивание происходит на трех уровнях: от поверхности вниз под действием ветровых сил, снизу вверх под действием турбулентности, создаваемой границей (эстуарное и океаническое пограничное смешивание), и внутри под действием турбулентного смешивания, вызванного водными течениями, которые приводятся в движение приливами, ветром и речным притоком. [1]
Различные типы эстуарной циркуляции являются результатом вертикального перемешивания:
Эти эстуарии характеризуются резким разделом плотностей между верхним слоем пресной воды и нижним слоем соленой воды . Речная вода доминирует в этой системе, а приливные эффекты играют небольшую роль в моделях циркуляции. Пресная вода плавает на поверхности морской воды и постепенно истончается по мере продвижения к морю. Более плотная морская вода движется по дну вверх по эстуарию, образуя клиновидный слой и становясь тоньше по мере продвижения к суше. По мере того, как между двумя слоями развивается разница скоростей , сдвиговые силы генерируют внутренние волны на границе, смешивая морскую воду вверху с пресной водой. [6] Примером является эстуарий Миссисипи . [ необходима цитата ]
По мере увеличения приливного воздействия контроль речного потока на характер циркуляции в эстуарии становится менее доминирующим. Турбулентное перемешивание, вызванное течением, создает умеренно стратифицированное состояние. Турбулентные вихри перемешивают водную толщу, создавая массоперенос пресной и морской воды в обоих направлениях через границу плотности. Таким образом, интерфейс, разделяющий верхние и нижние водные массы, заменяется водной толщей с постепенным увеличением солености от поверхности ко дну. Однако двухслойный поток все еще существует с максимальным градиентом солености на средней глубине. Частично стратифицированные эстуарии, как правило, мелкие и широкие, с большим отношением ширины к глубине, чем эстуарии с соляным клином. [6] Примером является Темза . [ требуется цитата ]
В этих эстуариях приливной поток больше по сравнению с речным стоком, что приводит к хорошо перемешанному водному столбу и исчезновению вертикального градиента солености. Граница пресной и морской воды устраняется из-за интенсивного турбулентного перемешивания и вихревых эффектов. Соотношение ширины и глубины вертикально однородных эстуариев велико, а ограниченная глубина создает достаточный вертикальный сдвиг на морском дне, чтобы полностью перемешать водную толщу. Если приливные течения в устье эстуария достаточно сильны, чтобы создать турбулентное перемешивание, часто развиваются вертикально однородные условия. [6]
Фьорды являются примерами сильно стратифицированных эстуариев; они представляют собой бассейны с порогами и имеют приток пресной воды, который значительно превышает испарение. Океаническая вода импортируется в промежуточном слое и смешивается с пресной водой. Полученная солоноватая вода затем экспортируется в поверхностный слой. Медленный импорт морской воды может течь через порог и опускаться на дно фьорда (глубокий слой), где вода остается стоячей, пока ее не смоет случайный шторм. [1]
Обратные эстуарии возникают в сухом климате , где испарение значительно превышает приток пресной воды. Образуется зона максимальной солености, и как речная, так и океаническая вода течет близко к поверхности к этой зоне. [7] Эта вода выталкивается вниз и распространяется по дну как в направлении моря, так и в направлении суши. Максимальная соленость может достигать чрезвычайно высоких значений, а время пребывания может составлять несколько месяцев. В этих системах зона максимальной солености действует как пробка, препятствуя смешению эстуарных и океанических вод, так что пресная вода не достигает океана. Вода с высокой соленостью опускается в сторону моря и выходит из эстуария. [8] [9]
Обратные эстуарии также встречаются во влажном климате с большим количеством осадков, где приток пресной воды в прибрежный регион больше в морском конце эстуария. Примером является залив Саанич (фьорд) на юго-восточном побережье острова Ванкувер. Здесь приток пресной воды из рек Фрейзер и Коуичан, которые находятся поблизости и за пределами фьорда, больше, чем из более мелких рек, впадающих во фьорд. Результирующая циркуляция внутри фьорда очень слабая и, как правило, обратна положительной эстуарной циркуляции.