Термический и ледовый режим рек 6.12.1. Тепловой баланс участка реки

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 (2.7). Перепишем это уравнение в следующем виде:

А & = в_в-е_н + А + В+ С, (6.55)

где д© — изменение количества теплоты в воде за интервал времени At;

0_В — теплота, поступающая вместе с речной водой через верхний створ участка; ©_н — теплота, уходящая с водой через нижний створ. И 0_В и 0_Н в единицу времени равны c_ppQT, где с_р — удельная теплоемкость воды; р —ее плотность; Q — расход воды; Г—темпе­ратура воды. А означает сумму всех компонентов теплообмена че­рез границу «поверхность реки — воздух». Эта сумма включает ра­диационный баланс этой поверхности R согласно формуле (2.6), приход или расход теплоты в процессе теплообмена с атмосфе­рой 0+_тм и 0“_тм, теплоту, поступившую вместе с атмосферными осад­ками 0_Х, приход теплоты при конденсации 0_КОНД и расход теплоты при испарении воды 0_ИСП. В — это сумма всех компонентов тепло­обмена через границу «вода — грунт»: приток или отток теплоты с грунтовыми водами 0* и 0;, приход или расход теплоты в про­цессе теплообмена с грунтами 0|_р и 0_Ф. 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 0_ДИС, приход теплоты при ледообразовании 0_лед и расход при таянии льда 0_11Л). 0_КОНД, 0_ИСП? ®лед> <д_ш определяют по формулам (1.11) — (1.12). Приход теплоты вслед­ствие диссипации энергии 0_ДИС в единицу времени численно равен затрате механической энергии потока на преодоление сил трения ^тр = Р#(2Д где р —плотность воды; g— ускорение свободного па­дения; Q — расход воды; /—уклон водной поверхности; / — длина участка реки. Обычно 0_ДИС — величина весьма малая, но на реках с большими уклонами может быть соизмерима с величиной тепло­обмена воды с воздухом. Напомним, что изменение количества теплоты А0 равно с_рр VАТ, где с_р — удельная теплоемкость воды; р — ее плотность; К—объем воды; А Г—изменение температуры воды за интервал времени At.

Выразив А0 в (6.55) через с_рр VАТ, получим, что изменение тем­пературы воды на участке реки за интервал времени At будет равно:

_{АГ =} е,-е„ + л + л + с_ ₍₆₅₆₎

СррК

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.

Поскольку температура воды в реке, как следует из анализа уравнения теплового баланса участка реки, реагирует на метеоро­логические факторы (изменения радиационного баланса, темпера­туры воздуха), основная причина временных изменений температуры воды в реке — метеорологическая.

В условиях умеренного климата наиболее типичны сезон­ные изменения температуры воды в реках (рис. 6.22). Зимой под ледяным покровом вода у поверхности реки имеет температуру около О °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 в 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

Рис. 6.22. Типичное изменение температуры воздуха (/) и воды (2) для рек умеренного климата:

3 — ледостав; 4— ледоход (I—XII — месяцы)

температуры воды хорошо выражены на реках, берущих начало из ледников.

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_ppTW, (6.57)

где W_T — тепловой сток, Дж, за интервал времени At; с_р —удельная теплоемкость воды; р — ее плотность; Т — средняя температура воды; W — сток воды (м³) за тот же интервал времени At.