Тепловой баланс рек и водоемов

Водные массы рек, озер и водохранилищ получают тепло из окружающей среды и отдают его обратно. В результате этого теплообмена температура воды испытывает суточные и годовые колебания.

Рассмотрим тепловой баланс вод суши сначала в летний период, а затем в условиях ледостава. Приходными статьями теплового баланса летом являются: поглощение энергии прямой и рассеянной солнечной радиации; поглощение энергии теплового излучения атмосферы; выделение тепла при конденсации влаги на свободной поверхности; переход в тепло механической энергии турбулентного движения жидкости.

К расходным статьям баланса тепла относятся: тепловое излучение водных масс; потери тепла при испарении влаги со свободной поверхности; передача тепловой энергии грунту дна.

Разность между излучением воды и встречным излучением атмосферы называется эффективным излучением. Днем эффективное излучение чаще всего направлено от атмосферы к воде, ночью – в обратную сторону. Однако это правило может нарушаться при резких изменениях температуры воздуха. В период, предшествующий замерзанию, эффективное излучение направлено от воды к атмосфере круглосуточно. В целом за время, свободное ото льда, водные массы получают больше тепловой энергии, чем расходуют, и. в результате этого нагреваются сами и производят нагрев дна.

С появлением ледяного покрова реки и водоемы изолируются от атмосферы. Независимо от колебаний температуры воздуха на нижней поверхности льда всегда имеется нулевая температура. Приходными статьями теплового баланса в это время являются: теплоотдача дна и переход в тепло кинетической энергии турбулентности. Единственная расходная статья состоит в передаче тепловой энергии ледяному покрову. Если толщина льда не меняется, то переданная энергия проходит через лед и лежащий на нем слой снега и далее рассеивается в атмосфере.

Как видно из изложенного, через толщу воды проходят в вертикальном направлении значительные потоки тепла – летом преимущественно сверху вниз, зимой снизу вверх. Количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площади, называется поверхностной плотностью потока тепла и выражается так: Вт/м². Согласно закону Фурье плотность потока тепла равна произведению градиента температуры на коэффициент теплопроводности среды. При переносе тепла на вертикали закон Фурье записывается так:

, (63)

где: q – температура.

Знак минус перед правой частью показывает, что тепло распространяется в сторону понижения температуры. Коэффициент k молекулярной теплопроводности воды очень мал – он в 15 раз меньше коэффициента теплопроводности ртути и в 640 раз меньше коэффициента теплопроводности меди (при температуре +20°С). Вертикальный перенос значительных количеств тепла в реках и водоемах оказывается возможным в результате действия двух факторов: термической конвекции и турбулентного перемешивания. Вместе и порознь они способны сообщать толще воды в реках и водоемах теплопроводность, на несколько порядков; большую молекулярной.

Термической конвекцией называется перемещение масс жидкости, которое происходит под действием силы тяжести, когда жидкость нагрета так, что ее плотность сверху вниз убывает. Подобное распределение плотности называется неустойчивой стратификацией (расслоенностью). Если плотность жидкости сверху вниз возрастает, говорят, что стратификация устойчивая, если плотность вдоль вертикали не меняется, говорят, что стратификация безразличная. При устойчивой и безразличной стратификациях конвекции быть не может.

В водных потоках картина конвекции осложнена неоднозначной связью плотности с температурой, т.е. тем фактом, что максимум плотности воды имеется при температуре, большей нуля. Если придонные слои воды имеют температуру +4ºС, то вверх, по вертикали температура может монотонно изменяться в любую сторону – стратификация останется устойчивой.

В реках и водоемах наиболее сильная термическая конвекция наблюдается во время осеннего понижения температур воздуха – поверхностные слои воды охлаждаются быстрее глубинных и оказавшись поэтому более плотными, опускаются вниз, вытесняя наверх теплые и менее плотные глубинные массы.

Турбулентное перемешивание является в реках и проточных водоемах постоянно действующим средством переноса тепла. Для описания переноса тепла турбулентностью пользуются законом Фурье (63) с коэффициентом турбулентной (иногда говорят виртуальной, т.е. кажущейся) теплопроводности . Коэффициент k_T зависит от интенсивности турбулентного перемешивания и меняется по вертикали.

В слабо проточных и непроточных водоемах турбулентность, менее регулярна, чем в реках. В таких водоемах она возбуждается ветровым волнением и вызванными ветром течениями, т.е. процессами, имеющими спорадический характер. Турбулентность, вызванная волнением, редко распространяется на глубину более 5-10 м. Ветровые течения могут способствовать развитию турбулентности на глубинах в несколько десятков метров, но интенсивность этой турбулентности относительно слаба.