5.Термический и ледовый режим рек и водоемов

Изменения температуры воды в реке влияют на многие важные черты ее гидрологического режима: ледовые явления (лед образу­ется лишь при снижении температуры воды до 0 °С); химические и биологические процессы (от температуры воды зависят, напри­мер, растворимость газов, быстрота многих химических реакций, жизнедеятельность организмов и т. д.); перенос взвешенных нано­сов потоком (гидравлическая крупность мелких частиц зависит от вязкости, а она, в свою очередь, от температуры воды). Темпера­тура воды определяет наряду с минерализацией и химическим со­ставом растворенных веществ качество воды. Температура воды — важный показатель при использовании вод в хозяйстве, например в охладительных установках, и в быту.

Изменение температуры речной воды - следствие изменения со­ставляющих теплового баланса данного участка реки.

Применим к участку реки общее уравнение теплового баланса для любого водного объекта гидросферы. Перепишем это уравнение в следующем виде:

= _в -_н + А + В+ С, (8.23)

где  - изменение количества теплоты в воде за интервал времени t;

_в -теплота, поступающая вместе с речной водой через верхний створ участка; _н - теплота, уходящая с водой через нижний створ. И _в и _н в единицу времени равны c_pQT, где с_р - удельная теплоемкость воды;  - ее плотность; Q- расход воды; T-темпе­ратура воды.

А означает сумму всех компонентов теплообмена че­рез границу «поверхность реки - воздух». Эта сумма включает ра­диационный баланс этой поверхности R, приход или расход теплоты в процессе теплообмена с атмосфе­рой ⁺_атм и ^-_атм, теплоту, поступившую вместе с атмосферными осад­ками _Х, приход теплоты при конденсации _конд и расход теплоты при испарении воды _исп.

В - это сумма всех компонентов тепло­обмена через границу «вода - грунт»: приток или отток теплоты с грунтовыми водами ⁺_w и ^-_w, приход или расход теплоты в про­цессе теплообмена с грунтами ⁺_гр и ^-_гр.

Величина С объединяет слагаемые, связанные с тепловыми процессами в самом потоке (теплота, получаемая при переходе части кинетической энергии в тепловую, т. е. при диссипации энергии _дисс, приход теплоты при ледообразовании _лед и расход при таянии льда _пл. _конд, _исп, _лед, _пл определяют по формулам (1.11) - (1.12). Приход теплоты вслед­ствие диссипации энергии _дисс в единицу времени численно равен затрате механической энергии потока на преодоление сил трения F_rp = pgQIl, где р - плотность воды; g- ускорение свободного па­дения; Q-расход воды; I-уклон водной поверхности; l - длина участка реки.

Обычно _дис - величина весьма малая, но на реках с большими уклонами может быть соизмерима с величиной тепло­обмена воды с воздухом. Напомним, что изменение количества теплоты  равно c_ppVT, где с_р - удельная теплоемкость воды; р - ее плотность; V-объем воды; T- изменение температуры воды за интервал времени t.

Выразив  в (8.23) через с_рVt, получим, что изменение тем­пературы воды на участке реки за интервал времени t будет равно:

, (8.24)

Наибольшее значение в уравнении теплового баланса имеют члены: А, где важнейшие составляющие - радиационный баланс и теплообмен с атмосферой, и С, который приобретает знак плюс в период ледообразования и минус в период таяния льда. Соотно­шение составляющих теплового баланса изменяется во времени. Соответственно должна изменяться и температура воды в реке. Так, весной и летом вследствие положительного радиационного баланса и поступления теплоты из атмосферы существенно возрастает ве­личина А; температура воды поэтому повышается. Поздней осенью величина А становится отрицательной, и температура воды пони­жается. На отдельных участках, где встречаются крупные выходы грунтовых вод, начинает играть роль и член В.

Из уравнения теплового баланса водного объекта следует, что основной причиной временных изменений температуры в реке являются метеорологические факторы.

В условиях умеренного климата наиболее типичны се зонные изменения температуры воды в реках (рис. 8.8). Зимой под ледяным покровом вода у поверхности реки имеет температуру около 0°С. Весной в период повышения температуры воздуха и осенью в период ее понижения изменения температуры воды следуют с некоторым отставанием за изменениями температуры воздуха. Максимальная температура воды по величине меньше максималь­ной температуры воздуха (например, на реках Подмосковья эти температуры соответственно равны 22-24 и 28-30 °С и наступает несколько позже максимальной температуры воздуха. В связи с тем, что температура воды в реках, как правило, не может приобретать отрицательные значения (переохлаждение речных вод до отрицательных температур без замерзания иногда происходит в случае отсутствия ядер кристаллизации), средняя годовая температура воды и реках заметно выше, чем средняя годовая температура воздуха.

Помимо сезонных колебаний температура воды в реках испы­тывает и суточные изменения, которые также отстают от изменения температуры воздуха. Минимальная температура воды наблюдается обычно в утренние часы, максимальная - в 15-17 ч (максимум температуры воздуха обычно бывает на 1-2 ч раньше). На больших реках суточный ход температуры воды обычно не более 1-2 °С, на малых реках он может быть и выше. Суточные колебания температуры воды хорошо выражены на реках, берущих начало из ледников.

Рис.8.10. Типичное изменение температуры воздуха (1) и воды (2) для рек умеренного климата:

3- ледостав; 4-ледоход (I-XII месяцы)

Температура речной воды имеет и пространственные изменения. Хорошо известно подчиняющееся широтной зональности измене­ние температуры воды вдоль крупных рек, текущих в меридиональ­ном направлении. У таких рек наибольшее различие температуры воды вдоль реки отмечается в период нагревания. Для больших рек, текущих с юга на север, характерны большие контрасты между температурой воды и воздуха: летом нагревшаяся в южных широтах речная вода попадает в северных широтах в условия более холод­ного климата. Часто температура воды в реках изменяется ниже впадения крупных притоков. В летнее время существенно умень­шается температура воды в реках ниже водохранилищ, что объясняет­ся поступлением в нижние бьефы гидроузлов глубинных вод из водохранилищ, имеющих пониженную температуру. Нередко темпе­ратура воды в реках заметно возрастает в местах сброса отработанных вод промышленными предприятиями и тепловыми электростанциями. В таких случаях говорят о «тепловом загрязнении» речных вод.

По ширине и глубине реки температура воды вследствие тур­булентного перемешивания изменяется мало. На реках с быстрым течением различия в температуре в разных участках поперечного сечения потока обычно не превышают 0,1 °С, на реках с медлен­ным течением - 1- 2 °С. Однако иногда можно заметить различия в температуре воды на поверхности и у дна, на стрежне и у берегов. Летом у дна температура немного ниже, чем на поверхности, а у бе­регов выше, чем в середине реки. Осенью у берегов температура воды оказывается немного ниже, чем в остальной части попереч­ного сечения потока.

Вместе с текущими водами реки переносят и теплоту. Количе­ство теплоты, переносимой речными водами за какой-либо интер­вал времени, называется тепловым стоком. Его можно рассчитать по формуле

W_T=c_pTW, (8.25)

где W_T- тепловой сток, Дж, за интервал времени /; с_р -удельная теплоемкость воды;  - ее плотность; Т- средняя температура воды; W- сток воды (м³) за тот же интервал времени t.

Ледовые явления

Все реки по характеру ледового режима делятся на три большие группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом, незамерзающие. Реки в условиях умеренного климата, как правило, зимой замерза­ют. На таких реках (наиболее интересных с точки зрения изучения ледового режима) выделяют три характерных периода: 1) замерза­ния, или осенних ледовых явлений; 2) ледостава; 3) вскрытия, или весенних ледовых явлений. Реки в условиях субтропиков замерзают очень редко, в условиях тропического климата - вообще никогда не замерзают.

Замерзание рек. Переход средней суточной температуры воздуха осенью через 0°С служит своеобразным «сигналом» приближаю­щихся ледовых явлений (см. рис. 8.8). Через некоторое время и температура воды снижается до 0 °С, и начинаются ледовые яв­ления.

Начальная фаза осенних ледовых явлений - сало, т. е. плыву­щие куски ледяной пленки, состоящей из кристалликов льда в виде тонких игл. Сало обычно плывет по реке в течение 3-8 дней. Почти одновременно у берегов, где скорости течения меньше, образуются забереги - узкие полоски неподвижного тонкого льда. По мере охлаждения всей толщи воды в ней начинает образовы­ваться внутриводный лед - непрозрачная губчатая ледяная масса, состоящая из хаотически сросшихся кристалликов льда. Непремен­ное условие образования внутриводного льда - переохлаждение реч­ной воды и наличие в воде ядер кристаллизации (кристалликов льда, взвешенных минеральных частиц и т.д.). Внутриводный лед, образующийся на неровностях речного дна, называют донным льдом. Скопления внутриводного льда в виде комьев на поверхности или в толще потока образуют шугу. Движение шуги по поверхности или в толще реки называется шугоходом. К шуге на поверхности реки иногда добавляется битый лед, отрывающийся от заберегов, и снежура - скопления только что выпавшего на воду снега.

По мере охлаждения воды начинается образование льда непос­редственно на водной поверхности реки вдали от берегов. В про­цессе образования льдин участвуют скопления сала, шуги и снежуры. Начинается осенний ледоход. На больших реках он продолжает­ся 10-12 дней, на малых -до 7 дней.

В период осеннего ледохода русло реки может оказаться заби­тым шугой и битым льдом. Закупорка русла этой ледяной массой называется зажором. Образование зажора сопровождается подъе­мом уровня воды на вышерасположенном участке реки. Иногда осенний ледоход сопровождается затором, т. е. закупоркой русла плывущими льдинами. Как и зажоры, заторы часто происходят на узких участках русла, в местах разделения реки на рукава (напри­мер, в дельтах Дуная и Северной Двины).

Ледостав. По мере увеличения числа плывущих льдин и их размера скорость движения ледяных полей уменьшается, и сначала в местах сужения русла, у островов, в мелких рукавах, а затем и на остальных участках русла ледяные поля останавливаются и смерза­ются. Этому могут способствовать и заторы. Образуется сплошной ледяной покров - ледостав (говорят, что «река стала»). Для малых рек характерно образование ледостава без ледохода - путем расши­рения и смерзания заберегов.

Некоторые участки реки могут в течение долгого времени, иногда в течение всей зимы, не замерзать. Такие участки называют полы­ньями они часто бывают в местах с повышенными скоростями течения, например на порогах и быстринах, в нижних бьефах гид­роузлов, в местах выхода в реку относительно теплых подземных вод и поступления промышленных и коммунальных стоков. Таким образом, происхождение полыньи может быть как динамическим, так и термическим.

Толщина ледяного покрова на реках в течение зимы постепен­но увеличивается. Толщина льда может быть определена с помощью уравнения теплового баланса, если допустить, что теплота, образующаяся в процессе ледообразования, в точности равна известной величине расхода теплоты, например, при выделении в атмосферу. Однако применять такой прием рас­чета на практике бывает сложно.

Одним из наиболее простых способов оценки нарастания льда на реках служит установление эмпирической связи толщины льда с суммой отрицательных температур воздуха. Такую связь отража­ют, например, формулы Ф. И. Быдина:

, (8.26)

, (8.27)

где h_л - толщина льда, см. В первой из этих формул используется средняя суточная, а во второй - средняя месячная температура воздуха. Необходимо отметить важную роль снежного покрова: чем его толщина больше, тем меньше толщина льда под снегом.

На реках в условиях холодного климата под влиянием гидроста­тического напора, вызванного стеснением русла мощным ледяным покровом, на поверхность льда может излиться речная вода, за­мерзнуть и образовать толстый слой вторичного льда - наледь.

Вскрытие рек. С наступлением весны ледяной покров на реках начинает разрушаться. На этот процесс влияют солнечная радиа­ция, поступление теплоты из воздуха и с теплыми водами, механи­ческое воздействие текущей талой воды.

Сначала начинает таять снег на льду. Талая снеговая вода ослабляет лед. У берегов реки под влиянием начавшегося нагре­вания грунта и стекания со склонов талых вод, а также повыше­ния уровня в реке образуются прибрежные полосы чистой воды - закраины.

Продолжающийся подъем уровня воды в реке вследствие по­ступления в русло талых вод приводит лед в движение. Сначала это лишь небольшие (в несколько метров) смещения ледяных полей - подвижки, а затем ослабленный ледяной покров разбивается на отдельные льдины и начинается весенний ледоход.

На текущих с севера на юг больших реках, а также на многих малых реках вскрытие происходит в основном под влиянием тер­мических факторов, несколько опережает волну весеннего поло­водья и проходит относительно спокойно. Вскрытие рек начинает­ся с низовьев и распространяется вверх по течению. Продолжи­тельность весеннего ледохода на больших реках, текущих с севера на юг (Дон, Днепр, Волга), обычно составляет от 10 до 20 дней.

Более бурно происходит вскрытие на реках, текущих с юга на север. Здесь главным фактором вскрытия становится динамиче­ский - воздействие текущих талых вод. Ледоход по времени совпа­дает с волной половодья, идет очень бурно и часто сопровождается заторами, чему способствует более позднее вскрытие нижних уча­стков рек по сравнению с верхними. Такой характер имеет вскры­тие, например, рек Енисея и Лены.

Заторы во время весеннего ледохода часто приводят к значи­тельному повышению уровней воды и даже к наводнениям. Такие явления нередки на Северной Двине, Лене, в низовьях Дуная. Во время заторных наводнений частично затопляются, например, го­рода Великий Устюг на Северной Двине (в месте слияния Сухоны и Юга) и Ленск на Лене. Во время затора в районе г. Ленска весной 2001 г. было затоплено 90 % площади города, разрушено более 3300 домов, 6 человек погибло. На Лене нередки очень мощные и разрушительные заторы. Протяженность скоплений льда в местах заторов достигает 50-100 км, а высота подъема уровня воды во время заторов может превышать зимний уровень на 15-17 м. В январе 2001 г. затор вызвал катастрофическое наводнение в при­морской части дельты Кубани.

Во время сильного затора, происходящего на фоне подъема половодья, уровень воды выше и ниже затора изменяется по-разному: выше затора повышается, а ниже его — понижается. Раз­рушение затора (как естественное под влиянием напора талых вод или весеннего тепла, так и искусственное, с применением ледо­колов или взрывов) часто приводит к образованию паводочной волны.

На малых реках ледяной покров часто тает на месте и весеннего ледохода не происходит.

Ледовые явления на реках России. Наиболее продолжителен период ледовых явлений на реках Сибири. Замерзание рек в Вос­точной Сибири и северной части Западной Сибири начинается обычно уже в октябре. В ноябре замерзают реки юга Западной Сибири, Северного Кавказа, Дальнего Востока, севера Европейской территории России, в декабре — юга Европейской части России. Весенний ледоход на юге Европейской части России начинается обычно в марте, в центральной части - в апреле, на севере - в мае, в Западной Сибири и на Дальнем Востоке - в мае. В июне вскры­ваются реки на севере Восточной Сибири.

Таким образом, продолжительность периода зимних ледовых явлений изменяется на разных реках нашей страны практически от нуля до 6-8 мес.

Толщина льда на реках России также неодинакова. На юге европейской части страны она обычно не превышает 20-40 см, на севере - 1 м. На реках Сибири толщина льда достигает 1,5-2 м. Малые реки в этом регионе нередко промерзают до дна. Иногда перемерзают и крупные реки - Яна, Индигирка.

Термический режим озер.

Основные факторы термического режима озер такие же как и для рек. Однако вследствие меньшего перемешивания в озерах часто наблюдается явление термической стратификации.

Остановимся на типах термической стратификации в водоемах.Увеличение температуры воды от дна к поверхности называется прямой температурной стратификацией; уменьшение температуры воды от дна к поверхности носит название обратной температурной стратификации; наконец, равномерное распределение температуры воды по глубине называется гомотермией.

В XIX в. швейцарским озероведом Ф. А. Форелем предложена термическая классифи­кация озер. Ф. А. Форель подразделил все пресноводные водоемы мира на три группы: 1) полярные (или холодные) с температурой в течение всего года ниже 4 °С и с преобладанием обратной температурной стратификации; 2) тропические (или теплые) с темпе­ратурой в течение всего года выше 4 °С и с преобладанием прямой температурной стратификации; 3) озера в условиях уме­ренного климата с температурой выше 4°С и прямой температур­ной стратификацией летом и температурой ниже 4 °С и обратной температурной стратификацией зимой.

Формирование как прямой, так и обратной температурной стратификации, а тем более трансформация прямой стратификации в обратную и наоборот сопровождается вертикальной циркуляцией вод в озере, т. е. вертикальным перемешиванием.

Д.Хатчинсон, учтя характер вертикальной плотностной цирку­ляции в водоеме, обусловленной нагреванием или охлаждением вод, несколько усовершенствовал термическую классификацию Фореля. Хатчинсон выделил озера, во-первых, амиктические, кото­рые, находясь весь год подо льдом, по вертикали никогда не пе­ремешиваются; во-вторых, голомиктические, подверженные верти­кальному перемешиванию до самого дна; в-третьих, меромиктические, в которых из-за большой разницы в плотности поверхностных и глубинных слоев, вызванной различием в их минерализации, перемешивание охватывает лишь верхний слой. Голомиктические озера подразделяются, в свою очередь, на мономиктические и димиктические. Мономиктические озера перемешиваются но вертикали лишь один раз в году: либо летом (это теплые озера по классификации Фореля), либо зимой (холодные озера). Димиктические озера перемешиваются дважды в год - весной и осенью; это озера умеренного климата по классификации Фо­реля.