Особенности термического режима рек (стр. 2 из 18)

В годовом термическом цикле рек обычно выделяют две фазы (ссылки): свободного русла и ледостава (рис. 1.4). Они отличаются по температуре и ее изменчивости. Во время ледостава температура воды колеблется около 0⁰С, а при свободном состоянии русла температура воды положительна и меняется в широких пределах (от 0,2⁰С до 10–25⁰С в зависимости от особенностей географического расположения бассейна водотока).

Использование местной температуры воды осредненной за некоторый период времени не позволяет достоверно оценивать температуру, например, среднюю по глубине или в поперечном сечении потока. Вследствие этого требуется также пространственное осреднение температуры воды.

Изменение температуры воды с глубиной называется эпюрой распределения температур. Средняя температура воды на вертикали равна площади эпюры температур, деленной на глубину вертикали или интегралу:

. (1.3)

Различия в средней температуре воды между разными вертикалями обусловливают поперечные градиенты температуры и отличия теплосодержания разных отсеков поперечного сечения. В поперечном сечении произвольной формы, температура воды в отсеках 1–2 и 3–4 отличается по величине, вследствие различной глубины реки, скорости течения, интенсивности прогревания. Поэтому эти отсеки выполняют отличающиеся функции в отношении переноса тепла.

Для определения средней температуры воды в каждом отсеке, вычисляется площадь эпюры элементарных расходов тепла между смежными вертикалями и делится на площадь эпюры элементарных расходов воды между ними.

Средняя температура в поперечном сечении – виртуальная характеристика. Она получается делением расхода тепла на расход воды:

, (1.4)

где

– расход воды через данное поперечное сечение, , - элементарный расход на i-й вертикали, – средняя температура на i-й вертикали.

Отличия температуры воды по длине рек обусловлены особым сочетанием факторов изменения теплосодержания водных масс. Кроме зональных факторов, влияющих на величину θ, существуют факторы регионального и локального значения. К числу таких факторов относится, например, впадение крупных притоков с температурой вод, отличающейся от температуры воды в основной реке. Региональное значение имеет фактор орографии, который определяет тип рек (горные, полугорные и равнинные) и влияние высотной климатической зональности. Наличие, например, снежного покрова и ледников формирует температурный режим горных и частично полугорных рек.

Использование осредненной за разное время температуры имеет смысловое ограничение. Например, величина θ в конкретной точке потока за многолетний период имеет неясный физический смысл. За несколько лет морфология русла реки в этом створе может сильно измениться, что влияет на глубину реки и распределение θ по глубине потока. Поэтому при осреднении местной температуры представляется оптимальным, чтобы наибольший период осреднения не превышает 12 часов. С одной стороны, это соответствует периодичности наблюдений на гидрологических постах (8:00 и 20:00). С другой стороны, это позволяет оценивать температуру водной массы, которая характеризует суточное разнообразие сочетаний факторов ее теплового состояния.

Для разных задач требуется различное пространственное осреднение. Каждому масштабу пространственного осреднения можно сопоставить разумные масштабы временного осреднения температуры воды. Пространственное осреднение температуры воды имеет смысл осуществлять от конкретного горизонта водного потока, до всей длины малых рек или бесприточных участков средних и крупных рек испытывающих тепловое влияние конкретных синоптических обстановок. Для каждого вида пространственного осреднения можно найти соответствующие имеющие физический смысл периоды временного осреднения. Например, наименьший период осреднения температуры воды для всего бассейна – декада. Для малых и средних рек этот отрезок времени достаточен для полного обновления воды в реке и реакции водной массы на соответствующие изменения факторов теплового состояния рек. С другой стороны, декада – это характерное время осреднения температур воды в гидрологических справочниках. Наибольший оптимальный период осреднения θ для бассейнов малых и средних рек является многолетний период, поскольку он характеризует сток тепла. Для горизонта же водного потока этот период ограничен ½ продолжительности суток. Он дает представление о дневном и ночном цикле изменений местной температуры воды. Для других масштабов пространственной оценки температуры воды существуют особые периоды временного осреднения этой гидрологической характеристики (табл. 1.1).

Таким образом, для различных масштабов пространственно-временной изменчивости характерно особое сочетание определенных факторов, которое нужно рассматривать применительно к конкретным природным условиям и с учетом возможно влияния хозяйственной деятельности.

Табл. 1.1 Оптимальные пространственно-временные осреднения температуры воды для характеристики теплового состояния и термического режима рек

Пространственные масштабы осреднения температуры воды	Местная мгновенная температура	Оптимальный интервал осреднения температуры
		12 часов	Сутки	Декада	месяц	Сезон	год	Многолетний период
Точка на вертикали	+	+	-	-	-	-	-	-
Вертикаль	+	+	-	-	-	-	-	-
Отсек поперечного сечения	-	+	-	-	-	-	-	-
поперечное сечение русла	-	+	+	+	+	+	-	-
Участок реки	-	+	+	+	+	+	+	+
Длина малой реки	-	-	+	+	+	+	+	+
участок средней или крупной реки	-	-	+	+	+	+	+	+

2. Факторы формирования термического режима рек

2.1 Изменение результирующей теплового баланса и температуры воды на участке реки

Изменение теплосодержания Δq, Дж, объема воды V на участке реки определяется формулой:

Δq=CρΔθV, (2.1)

где С – теплоемкость воды, Дж/(кг×⁰С), ρ – плотность воды, кг/м³, Δθ – изменение температуры воды, ⁰С. Из (2.1) следует, что изменение температуры воды за некоторый интервал времени

. (2.2)

Считая, что С, ρ, V – постоянные, можно сказать, что изменение температуры воды θ пропорционально изменению теплосодержания водной массы q. Если изменение теплосодержания Δq > 0, то изменение температуры воды Δθ > 0. В противоположном случае Δθ < 0, а Δq < 0.

Изменение теплосодержания dq объема воды V связано с уравнением теплового баланса для участка реки (рис. 2.1):

Q_н - Q_в = dQ = – dq, (2.3)

где Q_в – количество тепла, поступающее на верхнюю границе участка реки (адвекция), Q_н – количество тепла, уходящее через нижнюю границу, dQ – изменение потока тепла, dq – изменение теплосодержания водной массы. Если dQ > 0 (уходит тепла больше, чем приходит), то dq < 0 – теплосодержание водной массы уменьшается, а ее температура θ понижается. В соответствии с уравнением (2.2) при dQ < 0 (тепла поступает больше, чем уходит) dq > 0 – теплосодержание водной массы увеличивается и, соответственно, повышается температуры воды Δθ > 0. Таким образом, в рассматриваемой тепловой системе величина dQ однозначно определяет изменение dq и Δθ.

Участки рек – открытые системы и dQ = – dq

0. Если уравнение (2.3) универсально, то уравнение, раскрывающее причины возникновения (уравнение результирующей баланса тепла), отражает специфические условия, влияющие на величину dQ и dq, т.е.

dQ = – dq = А + В + С, (2.4)

где А, B, C – приходные и расходные составляющие теплового баланса (Михайлов, Добровльский, Добролюбов, 2007). С учетом (2.1) и (2.3) получаем:

Δθ = -

, (2.5)

где А – тепловой поток на границе «водная поверхность – воздух», В-тепловой поток на границе «вода – русло реки», С – внутренние источники поступления или расхода тепла.

А = R

+ Θ_x + Θ_к – Θ_и, (2.6)