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:

∆Q = Q_В - Q_Н + А + В + С, (6.55)

где ∆Q — изменение количества теплоты в воде за интервал времени ∆t; Q_В — теплота, поступающая вместе с речной водой через верхний створ участка; Q_Н — теплота, уходящая с водой через нижний створ. И Q_В и Q_Н в единицу времени равны c _р rQT, где с _р — удельная теплоемкость воды; r — ее плотность; Q — расход воды; Т — 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 и , теплоту, поступившую вместе с атмосферными осадками Q_х, приход теплоты при конденсации Q_конд и расход теплоты при испарении воды Q_исп. В — это сумма всех компонентов теплообмена через границу «вода — грунт»: приток или отток теплоты с грунтовыми водами и , приход или расход теплоты в процессе теплообмена с грунтами и . 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 Q_дис, приход теплоты при ледообразовании Q_лед и расход при таянии льда Q_пл). Q_конд, Q_исп, Q_лед, Q_пл определяют по формулам (1.11) — (1.12). Приход теплоты вследствие диссипации энергии Q_дис в единицу времени численно равен затрате механической энергии потока на преодоление сил трения F _тр = rgQIl,где r — плотность воды; g — ускорение свободного падения; Q — расход воды; I —уклон водной поверхности; l — длина участка реки. Обычно Q_дис — величина весьма малая, но на реках с большими уклонами может быть соизмерима с величиной теплообмена воды с воздухом. Напомним, что изменение количества теплоты ∆Q равно c _p rV∆T, где с _р — удельная теплоемкость воды; r — ее плотность; V — объем воды; ∆ Т — изменение температуры воды за интервал времени ∆ t.

Выразив ∆Q в (6.55) через c _p rV∆T, получим, что изменение температуры воды на участке реки за интервал времени ∆t будет равно:

. (6.56)

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.

Термический режим рек

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 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 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 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.

 

Рис. 6.22. Типичное изменение температуры воздуха (1) и воды (2) для рек умеренного климата:

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

 

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 rТW, (6.57)

где W_T— тепловой сток, Дж, за интервал времени ∆t; c _p — удельная теплоемкость воды; r — 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. 6.22). 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. Как указывалось в разд. 2.4, 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:

; (6.58)

(6.59)

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 Ленек 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.