2.4.14. Термічний режим річок

Температура води річок не визначає їх гідрологічний режим, але впливає на багато процесів (утворення та танення льоду, гідрохімічні та гідробіологічні процеси, формування якості води). Зміни температури пов’язані зі змінами теплового балансу. Запишемо рівняння теплового балансу ділянки річки, враховуючи лише найбільш важливі складові:

R + Q_a + Q_в.к. +Q_д. + (Q₁ - Q₂) = Q , (2.43)

де R — радіаційний баланс поверхні води; Q_a — теплообмін з атмосферою; Q_в.к. — тепло пов’язане з випаровуванням та конденсацією; Q_д. — теплообмін з дном; (Q₁ - Q₂) — різниця між теплом, що поступає через верхній створ ділянки та уходить через нижній; Q— зміни теплозапасу.

Другорядними (специфічними) складовими можуть бути тепло ґрунтових вод, приток, тепло пов’язане з утворенням та таненням льоду на даній ділянці річки, тепло рідких опадів, витрата тепла та танення снігу у воді, тепло біохімічних процесів, перехід механічної енергії течії у теплову (дисипація).

Зміни теплозапасу період часу можна виразити через питому теплоємність , масу води на ділянці за та зміну температури води . V — об’єм води на ділянці.

(2.44)

Звідси можемо розраховувати зміни температур води:

. (2.45)

Режим температур води залежить від кліматичних умов місцевості. Для річок помірного клімату характерними є температури близькі до 0°С взимку і додатні температури в теплу пору року. Характерний їх хід у порівнянні з температурами повітря показано на рис. 2.67. Добові амплітуди температур як правило не перевищують 1-2°С. Денний максимум зсунутий на 15-17 годин вечора. Турбулентний характер течії води сприяє вирівнюванню температур води річок у поперечному перетині. Найбільш мінливі температури біля берегів. Різниці по глибині влітку на крупних річках можуть досягати 2-3°С (деколи до 5°С). Температура води приток може відрізнятися від головної річки на 6-9°С. У всіх інших випадках різниці температур не перевищують 1°С.

Температура води може змінюватися також поздовж річок (особливо поздовж крупних меридіональних, або льодовикових).

Разом з водою переноситься певний запас тепла. Цей процес називають тепловим стоком. Тепловий стік можна розрахувати:

(2.46)

де — питома теплоємність води; — середня температура води за розрахунковий інтервал часу ; — стік води (м³) за цей же час.

2.4.15. Льодовий режим річок

Сукупність процесів виникнення, розвитку та руйнування льодових утворень, що закономірно повторюються на поверхні, у товщі та на дні річкових потоків називається їх льодовим режимом.

За ним річки поділяються на три групи:

1) такі, що замерзають;

2) з нестійкими льодовими явищами;

3) такі, що не замерзають.

Річки помірного клімату як правило взимку замерзають. Їх льодовий режим ділять на три характерних фази:

1) замерзання (осінні льодові явища);

2) льодостав;

3) скресання (весняні льодові явища).

Невдовзі після стійкого переходу температур повітря нижче 0°С на річках з’являються первинні форми льоду. Переохолодження води відносно невелике, але ядер кристалізації завжди є достатньо і турбулентний відвід тепла також досить розвинутий. Прибережні ділянки, відмілини, тихі затоки є першими осередками утворення льоду. Тут виникають забереги. Одночасно в основній частині течії розвиваються голчасті кристали льоду і сало (див. розділ 2.1). Під час значних снігопадів на переохолодженій поверхні накопичується сніжура. На багатьох ділянках створюються сприятливі умови для виникнення внутріводного льоду. На перекатах та кам’янистих ділянках іде інтенсивне утворення донного льоду. Деколи його накопичується стільки, що може утворитися льодова гребля.

З внутріводним, і частково донним, льодом пов’язана шуга. Це їх суміш з салом, сніжурою, дрібнобитим льодом, що може заповнювати значну частину поперечного перетину річки. Загальний рух шуги називається шугоходом. Після встановлення льодоставу утворення внутріводного льоду припиняється, а шуга поступово зупиняється і стає підльодною. Найбільше шуги утворюється на бистринах і на гірських річках. Деколи вона може забити майже все русло під льодом і призупинити (підперти) річку. Це явище називають — зажор. На порожистих ділянках багатьох річок спостерігаються пятри — льодові острівці на конусовидних основах, утворених з донного льоду. Спочатку утворюється підвищення біля дна, потім воно наростає до поверхні все розширюючись у більш сприятливих умовах.

Внаслідок змерзання сала, сніжури, шуги, уламків заберегів на поверхні річки можуть утворюватися крижини. Починається осінній льодохід. Він спостерігається не на всіх річках. На поворотах чи звуженнях русла крига може накопичуватися — утворюються осінні затори. Вони як правило малопотужні у зв’язку з пониженою водністю річок і малою товщиною льоду. Тривалість осіннього льодоходу коливається від декількох днів до місяця та більше. На крупних річках, що витікають з озер льодохід значно розтягається. Це також характерно для річок з нестійкими льодовими явищами. При збільшенні щільності покриття поверхні річки кригою швидкість її руху зменшується. Цьому сприяє також наростання заберегів. У певний момент часу лід зупиняється і починає змерзатися. Наступає льодостав. Він може статися за одну ніч. На малих річках льодостав може утворитися шляхом змерзання заберегів. Тут лід більш гладкий. На великих річках льодостав може просуватися проти течії від місць утворення значних льодових перемичок (деколи заторів). Тут можуть утворюватися тороси. На гірських річках льодостав часто не утворюється. Частина поверхні річок залишається вільною від льоду. Це — ополонки. Вони бувають динамічні та термічні.

Товщина льоду на протязі зими поступово збільшується. В основному він наростає знизу. Для оцінки його товщини можна використовувати формули Ф. Бидіна:

(2.47)

та (2.48)

де — сума від’ємних температур повітря взятих по модулю (у першому випадку це середні добові значення, а у другому — середні місячні). Сніговий покрив грає роль ковдри. Чим він потужніший, тим повільніше наростає під ним лід.

Після моменту переходу температур повітря вище 0°С починається танення снігу на річці та берегах. Талі води сприяють руйнуванню льодового покриву. Монолітність льодових мас порушується. Першими з’являються смуги вільної води біля берегів — закраїни. Їх виникненню сприяють також тріщини, пов’язані з припідніманням всього льодового покриву зростаючим весняним потоком. У зв’язку з цим відбуваються посування льоду. Далі у деяких місцях з’являються проталини та промоїни. У певний момент починається весняний льодохід. Характер скресання річок залежить від конкретних погодних та місцевих умов (на ділянці річки), а також від загальних природних умов території. Основними категоріями факторів є теплові та механічні. При зростанні ролі механічних факторів скресання наростає імовірність виникнення весняних заторів. Вони відрізняються великою потужністю і є небезпечним природним явищем. Крупні затори часто утворюються на річках, що течуть на північ. Тут у нижніх частинах течії скресання наступає пізніше, тому крига, що приплила з півдня може накопичуватися. Крупні затори можуть підривати для уникнення їх наступного розвитку.