4.3. Термический режим

Интегральным показателем термического режима водохранилищ является теплозапас, т.е. изменение количества тепла в водохранилище за некоторый промежуток времени. В таблице 4.3. приведены величины теплозапасов водных масс на начало каждого месяца за период наблюдений на наиболее изученных водохранилищах Беларуси. В зависимости от погодных условий конкретных периодов и изменения объема водной массы в водохранилищах теплосодержание в отдельные месяцы изменяется в широких пределах, особенно отличаются теплозапасы зимнего и весеннего периодов, когда в водохранилищах наблюдается минимум запасов тепла. На протяжении летнего периода теплозапас стабилизируется, а с начала сентября наблюдается резкое его уменьшение.

Таблица 4.3

Теплозапас воды (10¹⁵ Дж) за многолетний период водохранилищ Беларуси

Общий теплозапас является функцией объема водной массы и средней температуры водохранилища. Он будет зависеть от вида регулирования водохранилища, которое находится в прямой зависимости от объема водной массы. Естественно, наибольший теплозапас достигается в крупных водохранилищах с низким показателем глубины и значительной величиной показателя открытости водоема. В Вилейском водохранилище, которое осу­ществляет многолетнее регулирование стока, со средней глубиной 3,4 м, площадью зеркала 80 км², объемом воды до 260 млн м³, средний теплозапас летних месяцев составляет 14,5 10¹⁵ Дж, а максимальный— 18,5 10¹⁵ Дж.

В Чигиринском водохранилище с недельно-суточным регулированием стока, средней глубиной 2,7 м, площадью зеркала 23,4 км², объемом водной массы до 62 млн м³ средний теплозапас в летние месяцы не превышает 4,95, максимальный — 6,25 10¹⁵ Дж. Еще меньше теплозапаеы в водохранилищах с суточным регулированием стока. Так, в Осиповичском водохранилище, наименьшем по площади и объему, средняя величина теплосодержаний в летние месяцы не превышает 1,48, максимальная — 1.38 10¹⁵Дж.

Рис. 4.1. Распределение температуры воды на водохранилищах Беларуси на рейдовых вертикалях: а – зимний период, б – весенний период, в – летний период, г – осенний период; 1 – Лепельское водохранидище, 2 – Вилейское, 3 – Заславское, 4 – Чигиринское, 5 – Краснослободское

Изменение теплосодержания в водной массе водохранилищ показывает, что в среднем теплозапас увеличивается в мае — июне, в июле он стабилен, а с августа за счет увеличения теплоотдачи воды постепенно убывает. Изменение теплозапасов в водной массе хорошо согласуется с величинами теплового баланса. Тепловой баланс положителен с января по июль, когда происходит увеличение теплосодержания в водной массе. С августа теплозапаеы имеют отрицательный знак за счет увеличения теплоотдачи с водной поверхности. Потери тепла за счет эффективного излучения и конвективного теплообмена продолжаются вплоть до конца декабря. В янва­ре — феврале теплосодержание увеличивается за счет теплоотдачи дна, а с марта по июль — за счет суммарной солнечной радиации, поглощенной водой. Теплообмен между водной поверхностью и атмосферой в среднем относится к расходной части баланса, так как с мая по октябрь среднемесячная температура поверхности воды выше температуры воздуха и вода отдает тепло атмосфере. Величина конвективного теплообмена колеблется от 1,2 10³ до 6,3 10³ Дж/(см² мес), в среднем составляя 8 – 11 % расходной части баланса. Теплота, затрачиваемая на теплообмен воды с грунтом дна водохранилищ, достигает 4,2 10³ Дж/(см² мес), что не превышает 5 % теплового баланса.

Период весеннего нагревания водохранилищ начинается еще под ледяным покровом в результате интенсивного воздействия солнечных лучей. Температура .воды в это время имеет заметно выраженную обратную страти­фикацию (рис. 4.1. а, б). Вследствие свободно конвективного перемешивания воды выравниваются температуры сначала в поверхностном слое, а затем и во всей водной массе. При этом весенняя гомотермия наступает раньше в водохранилищах со средними глубинами до 2,5 м. Продолжительность весенней гомотермии небольшая (19 — 22 дня), при последующем нагревании поверхностного слоя начинается переход к летнему температурному периоду (табл. 4.4). Началом установления летнего тем­пературного режима считается переход поверхностной температуры через 10 °С, обычно наступающей в водохранилищах в первой декаде мая. Этот период продолжается в среднем 151 день и характеризуется прямой температурной стратификацией. Перенос тепла внутри водной толщи осуществляется за счет турбулентного перемешивания. В водохранилищах со средними глубинами до 4 м разность температур поверхностного и придон­ного слоев воды достигает от 1,5 до 2 °С (рис. 4.1.в). На водохранилищах с большими глубинами разность температур достигает 8 — 9 °С.

Величина вертикального градиента температуры изменяется в зависимости от типа водохранилища. В малых мелководных водохранилищах (Осиповичское) она достигает 0,1 — 0,18 °С, в средних (Заславское) — 0,4 — 0,5 °С, а в Лепельском водохранилище, отличающемся большой глубиной, величина достигает 0,7 °С на 1 м. При устойчивой ветреной погоде в неглубоких водохранилищах, таких как Краснослободское, возобновляется гомотермия. Максимальные суточные значения температуры воды отмечаются чаще всего в июле — августе (23 — 29 °С). Период летнего нагревания заканчивается, когда теплоприем на водной поверхности сравнивается с теплоотдачей, что происходит в третьей декаде августа.

В течение летнего периода в радиационном режиме водохранилищ основная доля радиационного баланса приходится на май — июль с максимумом 44,8 Дж/см²; с августа радиационный баланс резко уменьшается — в среднем с 29,5 до 2,9 Дж/см² в октябре. В целом за безледный период радиационный баланс водохранилищ положителен и равен для Заславского 179,2, Осиповичско-го 171,1, Чигиринского 184,6 Дж/см².

Таблица 4.4

Даты перехода температуры воды весной и осенью через 2о, 4, 10о С и их периоды (в днях) на водохранилищах Беларуси

В период осеннего охлаждения водохранилища резко теряют запасы тепла, накопленные за предыдущие два периода. Более интенсивное ветроволновое перемешивание воды выравнивает температуру по вертикали. Формируется осенняя гомотермия, которая может наступать при самой разной температуре, что можно проследить на графиках 4.1 , г.

Средняя температура воды, равная в августе 19 – 20°С, понижается в октябре до 8 – 9 °С, а во второй половине ноября — до 4 °С. Осенний переход температуры воды через 10 °С отмечается обычно в первой декаде октября (см. табл. 4.4).

После охлаждения температуры воды до 4 °С начинается переход к зимнему режиму. Охлаждение воды происходит в основном за счет турбулентного перемешивания. Короткий предледоставный период характеризуется обратной термической стратификацией с разностью тем­ператур (поверхность — дно) 0,5 – 1,0 °С, достигая в январе 2 – 3 °С.

Величина вертикального градиента температур увеличивается в водохранилищах с малыми глубинами. Так, в Лепельском водохранилище она составляет 0,1 °С на 1 м, Вилейском — 0,23 – 0,25 °С, Заславском — 0,31 – 0,32 °С и Краснослободском — 0,5 – 1,0 °С.

Обобщение многолетних данных по термическому режиму позволило выявить в годовом термическом цикле 5 периодов и установить их среднюю продолжительность.

1. Период весеннего нагревания — 25 дней (третья декада марта — вторая декада апреля).

2. Период нагревания — 120 дней (третья декада апреля — третья декада августа).

3. Период осеннего охлаждения — 85 дней (третья декада августа — вторая декада ноября).

4. Период предледоставного охлаждения — 10 дней (третья декада ноября).

5. Период зимнего режима — 126 дней (декабрь— март).