Расчет элементов термического режима водотока

Термический режим водотоков

Развитие тепловых процессов в водотоках обусловлено сочетанием климатических особенностей района расположения водотока, водности реки или канала, гидравлических свойств и морфологических характеристик русла.

Большинство водотоков (в первую очередь рек) турбулентно. Если турбулентность достаточно велика, обусловленное ею перемешивание достаточно для разрушения любой начальной стратификации, связанной с изменением плотности воды при ее охлаждении до температуры от 4 °C до 0 °C. Теплопроводность воды полностью определяется турбулентностью. Поскольку на водотоках температурная стратификация практически отсутствует, потери тепла с поверхности одинаково охлаждают поток по всей глубине, и температура воды в соответствии с погодными условиями постепенно понижается до точки замерзания (кристаллизации). Градиент температуры вдоль потока пренебрежимо мал.

Водная масса рек и каналов сравнительно быстро реагирует на изменение метеорологических условий, но вследствие тепловой инерции ее температурный ход более сглажен, чем температуры воздуха. Весной температура воды в реке обычно ниже на 2−3°С температуры воздуха, осенью (в октябре) — на 5−10°С выше.

Годовой термический цикл водотоков вследствие интенсивного турбулентного перемешивания и отсутствия конвекции не отличается особой сложностью. В практике принято делить годовой термический цикл водотока на два периода — при отсутствии льда (летний) и при его наличии (зимний).

Зимний термический режим водотоков достаточно разнообразен, что связано с образованием в водной толще внутриводного льда, шуги и движением кромки ледяного покрова.

Пока поверхность потока свободна от льда, температура воды в мелких реках и неглубоких каналах быстрее реагирует на меняющиеся метеорологические условия, чем в глубоких, из-за разницы в глубине. До охлаждения воды до 4 °C перемешивание происходит на всю глубину, поскольку холодная поверхностная вода более плотная, чем теплая вода внизу потока. При температуре от 4 °C до 0 °C перемешивание зависит от турбулентности. По достижению водой температуры 0 °C дальнейшее выхолаживание приводит к формированию ледяного покрова или, если вода переохлаждена, внутриводного льда.

Когда ледяной покров сформировался, термический режим водотока характеризуется температурой у поверхности воды постоянной и близкой к температуре замерзания (плавления). Она отличается от нее на 0,1°С или меньше. Ледяной покров действует на реку как теплоизоляционный экран, препятствующий поступлению тепла из атмосферы и выхолаживая путем теплоотдачи к его нижней поверхности любые тепловые стоки, вводимые в поток. Существенное значение приобретают диссипация энергии (переход части механической энергии потока в тепловую) и теплообмен с дном S_д.

Температура воды в водотоке под ледяным покровом (при заданной температуре воды у кромки) практически не зависит от толщины ледяного покрова и от метеорологических условий, но, напротив, толщина льда существенно зависит от обоих факторов.