θ=Е/СρΔV, (5.3)
нагревается в различной мере. При одинаковых синоптических условиях температура воды на участке с большими глубинами будет изменяться медленнее по сравнению с более мелкими участками. Таким образом, даже если принять начальную однородность поля температуры воды в поперечном сечении потока, то при наличии ненулевых тепловых потоков через свободную поверхность воды будут возникать поперечные градиенты температуры.
Эта теоретическая схема довольно часто реализуется в натурных условиях, поскольку для многих рек тепловое влияние грунтовых вод пренебрежимо мало по сравнению с адвекцией тепла с вышележащих участков и теплообменом с атмосферой. Она хорошо согласуется и с неоднозначной реакцией водной массы рек разного размера на одинаковое поступление солнечной радиации (глава 6).
Обзор литературы показывает подобие взглядов разных ученых на проблему неоднородности поперечного распределения температуры в водном потоке. Так, Соколова (1951), используя данные В.Б. Шостаковича (1928), пишет, что «наибольшие разности температуры воды приходятся на период нагрева, так как прибрежная часть, как более мелководная, должна прогреваться сильнее, если нет влияния других факторов, например мерзлоты почвы, выхода грунтовых вод или ключей». По мнению О.В. Ванеевой и М.Н. Панкратьевой (1941), в естественных условиях существуют два типа распределения температуры воды в поперечном сечении: тип «нагревания», когда при общем нагревании речной водной массы температура воды у берегов выше, чем на стрежне реки. Тип «охлаждения» соответствует более низкой температуры воды у берегов по сравнению с центральной частью потока. Распределение температуры воды по ширине потока зависит от времени суток: в дневные часы вода у берега теплее, чем на стрежне реки. В утренние часы наблюдается обратная ситуация – температура на стрежне потока выше, чем у берега (Соколова, 1951).
5.2 Натурные данные
Данных фактических наблюдений над распределением температуры в поперечном сечении потока мало, что находится в определенном противоречии с Наставлениями к выбору места измерения температуры воды на гидрологических постах. Они определяют необходимость производства наблюдений за температурой воды по ширине реки, однако в литературе соответствующие данные найти не удалось. Поэтому приходиться опираться на эпизодические наблюдения, произведенные на р. Ангаре (Верещагин, 1933), на рр. Енисей, Ишим и Селенга (Шостакович, 1928; Ванеева, Панкратьева, 1941), на рр. Лена, Индигирка, Оленек, а также рр. Луга, Ока, Самара, Алматинка, Караткал и Аму-Дарья (табл. 5.1) (Соколова, 1951). Данные распределения температуры воды по ширине потока, приведенные в этой работе, не имеют привязки по расстоянию относительно берегов. Поэтому при дальнейшем анализе будем считать, что температурные вертикали назначались равномерно по ширине потока.
При изучении процессов смешения водных масс Волги и Вазузы (Аппель и др., 1980) 5–9 августа 1975 г. получено 8 профилей поперечного распределения температуры воды. Два из них находились в русле Волги и Вазузы (выше узла их слияния), а 6 профилей – ниже узла слияния на участке реки длиной около 4,2 км (см. рис. 4.1). В статье приведены данные по семи поперечным профилям (по каким-то причинам данные на третьем профиле не приведены).
Таблица 5.1. Распределение температуры воды в поперечном сечении рр. Караткал и Аму-Дарья
| Река | Пост | Время | Дата | Вертикали | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
| Каратал | Уш-Тюбе | 8:00 | 20.09.1949 | 13,8 | 13,8 | 13,8 | 13,6 | 13,3 |
| 8:00 | 15.09.1949 | 11,7 | 11,7 | 11,8 | 11,8 | 11,8 | ||
| 10:00 | 10.09.1949 | 14,6 | 14,5 | 14,5 | 15 | 15,7 | ||
| 12:00 | 30.09.1949 | 12,5 | 12,5 | 12,5 | 13,7 | - | ||
| 12:00 | 05.09.1949 | 15,9 | 15,8 | 15,8 | 16 | 17,1 | ||
| 18:00 | 25.09.1949 | 13,9 | 13,9 | 13,9 | 14 | 14,3 | ||
| Аму-Дарья | Чатлы | июнь | 24 | 27,2 | 24,1 | 24,3 | 24,4 | |
| июль | 24 | 24,1 | 24,2 | 24,3 | 24,4 | |||
| август | 23,2 | 23,2 | 23,3 | 23,4 | 23,5 | |||
| сентябрь | 17,1 | 17,2 | 17,2 | 17,3 | 17,4 | |||
| октябрь | 16 | 16,1 | 16,2 | 16,2 | 16,3 | |||
Исключение составляет профиль №1, где измерения между 53–98 м от уреза левого берега выполнялись в 14–16 часов, а остальные – в 12–14 часов. Температура воды для этих двух периодов значительно отличалась по величине. Температура воды в Волге и Вазузе за период наблюдений практически была одинакова, поэтому для анализа масштабов зоны смешения использовалась только электропроводность воды. Некоторые результаты этого исследования приведены в табл. 5.2 (все данные приведены в Приложении 4). Они характеризуют наличие значимых аномалий температуры воды (0,30С) лишь в 7 м от левого и 12,5 м от правого берега р. Волги.
Таблица 5.2. Распределение поверхностной температуры воды по ширине р. Волги выше узла впадения р. Вазуза
| L, м от л.б | 1,8 | 4,3 | 6,8 | 9,3 | 11,8–21,8 | 24,3 | 26,8 | 29,3 | 31,8 | 34 | 36,8 | 39,3 |
| Темпера-тура, 0С | 22,4 | 22,2 | 22,2 | 22,1 | 22,1 | 22,1 | 22,2 | 22,3 | 22,3 | 22,3 | 22,4 | 22,4 |
В анализе поперечного распределения температуры воды использованы данные автора, полученные на р. Оке (рис. 5.1), в июне 2007 г. (см. гл. 4). Представление о неоднородности поверхностной температуры воды по ширине потока дает (табл. 5.3). Аномалии температуры воды не превышали 0,290С.
Таблица 5.3. Распределение поверхностной температуры воды в поперечном сечении р. Ока (д. Трегубово, июнь 2007 г.)
| L, м от л.б | 10 | 42 | 82 | 130 | 189 | 239 | 262 |
| Температура, 0С | 23,39 | 23,23 | 23,13 | 23,10 | 23,10 | 23,19 | 23,29 |
Дополнительные сведения автором получены в районе слияния рр. Протва и Исьма в июле 2008 г. (см. гл. 4). Для анализа использованы и данные распределения поверхностной температуры воды по ширине потока на плесе и перекате р. Протва и один из температурных профилей (№6) на р. Исьма.
5.3 Анализ результатов натурных исследований
По измерениям на Оке (Соколова, 1951) изменение температуры воды в поперечном сечении (Δθп) в различные месяцы колебалось от 0,10С в июне до 0,60С в сентябре и октябре (при расчете этих величин производилось осреднение данных за утренние и вечерние сроки наблюдений). Наибольшие величины Δθп наблюдались в июне в утренние (до 1,60С) и дневные часы (до 0,80С). Измерения на р. Амударья (кишл. Чатлы) также показали небольшие среднемесячные величины Δθп: 0,30С в июне, августе, сентябре и октябре, и 0,40С в июле (Соколова, 1951). Данные срочных наблюдений на р. Каратал (пост Уш-Тюбе) показали большую изменчивость температуры воды в поперечном сечении потока: 0,1–0,5 утренние (8:00) и вечерние (18:00) часы и 1,2–1,3 в 10:00 – 12:00. Эти отличия дают представления о роли теплообмена между водной массой и атмосферой для рек различного размера, находящихся в разных климатических и орографических условиях.
Измерения на р. Индигирка (пос. Воронцово) в сентябре 1942 г. показали (Соколова, 1951), что величина Δθп изменяется от 0 до 10С, а в среднем она равна 0,360С. Наблюдения на р. Оленек (пост. Сухана) в июле – сентябре 1940 г. демонстрируют аналогичную (среднюю за период измерений) величину Δθп = 0,280С при диапазоне изменения аномалий 0,11 – 0,390С (Соколова, 1951). Наибольшая изменчивость температур в поперечном сечении обнаружена на р. Лена (с. Солянка). В июне–октябре среднее значение Δθп составляло 2,420С при диапазоне изменчивости Δθп от 0,4 до 5,850С. Повышенные величины Δθп, вероятно, связаны с большим размером реки. Ширина Лены составляла 1,4 км, а всех других рассмотренных рек – не превышала 500 м.
Для Волги и Вазузы изменение температуры воды по ширине рек в среднем составляло 0,980С при диапазоне величины Δθп = 0,2 ¸3,10С. Повышенные значения Δθп связаны, вероятно, с более распластанным руслом, наличием больших по площади мелководных зон, где наблюдается более интенсивное изменение теплосодержания воды. Средние величины поперечных градиентов температуры воды на разных профилях Волги и Вазузы (см. рис. 4.1) представлены в табл. 5.4. Из анализа таблицы следует, что средние по профилю температурные градиенты в большинстве случаев не превышают величины 0,10С/м и больше 0,010С/м. Средняя величина градиентов для Волги и Вазузы составляет 0,0510С/м. Величина градиентов температуры воды в разных створах рек колеблется от 0 до 0,540С/м. Наибольшие градиенты наблюдаются в прибрежных зонах потоков. Показателем этого может служить средний градиент для Волги и Вазузы без учета значений прибрежных градиентов. Эта величина равна 0,260С/м, т.е. в два раза меньше по сравнению со средней величиной при учете теплового состояния прибрежных зон.