3.7. Термический режим

Формирование термического режима рек происходит в резуль­тате теплообмена между водной массой и атмосферой и водной массой и ложем русла. Выражением этого процесса служит тепло­вой баланс участка реки, рассмотренный в гл. 1.

Основным источником тепла для поверхности Земли является Солнце. Поток внутреннего тепла Земли по сравнению с солнеч­ным теплом чрезвычайно мал и в ряде практических задач им можно пренебречь.

Солнечная радиация частично отражается от поверхности во­ды, частично проникает внутрь водных масс, где рассеивается и поглощается комплексами молекул и взвешенными частицами ор­ганического и неорганического происхождения. Процесс этот идет достаточно интенсивно, и поэтому глубина проникновения солнеч­ного тепла незначительна и зависит от прозрачности воды. При мутной воде, что характерно для рек, практически вся солнечная радиация поглощается на поверхности воды. Перенос тепла на глубину осуществляется в результате турбулентного перемешива­ния *. Различают фрикционное перемешивание (динамическая турбулентность), которое возникает при наличии градиентов ско­ростей, что обеспечивает передачу тепла (и других свойств воды) от одного слоя к другому, и конвективное перемешивание (грави­тационная турбулентность), или конвекция, которая возникает при уменьшении плотности воды сверху вниз. При термической (сво­бодной) конвекции, когда изменение плотности происходит за счет

* Молекулярная теплопроводность воды очень мала, и поэтому прогрев во-Ды сверху при неподвижной воде происходил бы чрезвычайно медленно.

73

изменения температуры, основной силой, вызывающей движение воды, является подъемная архимедова сила. Динамическая турбу­лентность— явление в природных водах постоянное и служит по­стоянно действующей причиной переноса тепла в горизонтальном и вертикальном направлениях, вследствие чего происходит вырав­нивание температур по живому сечению реки. Конвекция (грави­тационная турбулентность)—явление не постоянное, происходит только в вертикальном направлении в неоднородной по плотности воде и до тех пор, пока не наступит полного выравнивания харак­теристик воды по глубине. Наиболее интенсивная термическая конвекция наблюдается в осенний период при понижении темпера­туры воздуха: поверхностные слои водных масс охлаждаются бы­стрее глубинных, становясь более плотными, в результате они опускаются вниз, вытесняя более теплые и менее плотные глубин­ные массы.

Типичные черты температурного режима речных вод обуслов­ливаются метеорологическими условиями, свойственными каждо­му сезону, так как именно они определяют соотношения между приходом и расходом тепла, т. е. соотношения между элементами теплового баланса.

Годовой цикл термического режима замерзающих рек четко разделяется на два периода: открытой водной поверхности и ледо­става. В период открытой водной поверхности ход средней по жи­вому сечению температуры воды с некоторым сдвигом по времени практически идентичен ходу температуры воздуха, что обусловле­но сравнительно быстрым изменением поверхностной температуры воды при изменении метеорологических условий и интенсивным перемешиванием водной массы. При этом в первую половину этого периода (особенно во время весеннего половодья) температура воды ниже температуры воздуха, go вторую половину периода соотношение меняется: температура воды становится выше по сравнению с температурой воздуха. Такой ход температур отме­чается на большинстве рек нашей страны, за исключением горных, питающихся талыми водами вечных снегов и ледников, где раз­ности температуры воды и воздуха остаются отрицательными в те­чение всего теплого периода, уменьшаясь по мере удаления от истока. При наличии ледяного покрова температура воды остает­ся почти постоянной и близкой к 0°С.

Суточные изменения температуры речных вод связаны с раз­личиями в теплообмене воды с атмосферой в ночное и дневное время. Суточный ход наиболее ярко выражен в теплое время года, при этом амплитуда колебаний температуры воды зависит от вод­ности реки, широты места и погодных условий. Чем больше вод­ность реки, тем меньше суточная амплитуда. При ясной погоде разница между температурой воды днем и ночью больше, чем при пасмурной.

Несмотря на интенсивное турбулентное перемешивание и вслед­ствие этого достаточно равномерное распределение температуры

74

воды по живому сечению, в различные сезоны года отмечаются определенные особенности в распределении температуры воды как по ширине, так и по глубине рек. Для большинства рек в период повышения температуры воды ее значения у берегов несколько выше, чем на стрежне, в период охлаждения — ниже. Наибольшие изменения температуры по поперечному профилю связаны с по­ступлением вод притоков, если последние теплее или холоднее вод главной реки.

Изменения температуры воды по глубине выражены менее рез­ко. В весенний половодный период при общем понижении темпе­ратуры воды с глубиной различия у поверхности и дна не пре­вышает 0,5°С. В летний период разница температуры на поверх­ности и у дна при прямой температурной стратификации достигает 2...3°С, иногда 5°С (р. Ангара). В осенний период устанавлива­ется обратная температурная стратификация с разностью темпе­ратур на поверхности и у дна до 0,6°С.

Изменение температуры речных вод по длине рек связано с изменением теплового режима и климатических условий ландшафт­ных зон, по которым протекает водный поток. На больших равнин­ных реках, текущих с севера на юг, температура воды непрерывно повышается от истока к устью, если только в нее не впадают при­токи с более холодной водой. На реках, текущих в обратном на­правлении, может наблюдаться понижение температуры к устью. На реках, текущих в широтном направлении, температура прак­тически неизменна. Но в верховьях этих рек, а также на неболь­ших реках на некотором расстоянии от истока температура воды несколько повышается. На горных реках температура воды также повышается вниз по течению. Для горных рек температура воды в истоках определяется источником питания (ледник, снеговые запасы), но по мере удаления от истока большее значение приоб­ретают климатические условия.

Температурный режим озерных рек тесно связан с температу­рой озера, из которого река берет начало, при этом чем больше водная масса озера, тем значительнее расстояние по реке, на ко­торое распространяется его влияние.

Естественные изменения температурного режима речных вод могут быть нарушены в результате хозяйственной деятельности человека, например при сбросе в реки теплых промышленных и бытовых вод (см. гл. 7).