Температурний та термічний режим водних об’єктів

Температурний режим водних об’єктів – це зміна температури води по акваторії і глибині на протязі певного проміжку часу. Коливання температури води у водних екосистемах можуть бути добові, місячні, сезонні, річні та багаторічні. У таких випадках говорять про середньодобову, середньомісячну та середню температуру за ряд років. Температура визначає особливості термічного режиму водойм. Під останнім розуміють не тільки режим температури, але й запаси тепла, які утримуються водними масами. Якщо відома кількість води, що міститься у водному об’єкті та її середньодобова (або за інший проміжок часу) температура, то можна підрахувати його теплозапас – кількість тепла, акумульованого у водному об’єкті, яке перевищує його величину при температурі 0°С.

Для того, щоб розрахувати теплозапас певного об’єму води у водних екосистемах, користуються формулою:

W (q = C _P · p · T ·W ),
де C _P – питома теплоємність води;

p – її щільність;

Т – середня температура води;

W – об’єм води.

Найбільші теплозапаси у водних об’єктах припадають на кінець літа, коли добові втрати тепла дорівнюють величині його надходження з сонячною енергією. Між максимальною і мінімальною величинами теплозапасів існує різниця, яка називається тепловим запасом водойм. Це дуже важливий в екологічному відношенні показник водного середовища. Встановлено, що між середньорічною, і особливо весняно-літньою, температурою води і показниками росту риб, які перебувають у природних водоймах, існує прямий корелятивний зв’язок. Так, наприклад, якщо сума градусоднів у вегетаційний період в місцях розташування рибоводних ставків становила 2000 і більше, маса коропів дворічного віку досягала 450–500 г, а при більш прохолодному літі (1700–1800 градусоднів) не перевищувала 270–370 г. Така залежність обумовлена, з одного боку, інтенсифікацією метаболічних процесів в їхньому організмі, а з другого – більш сприятливими умовами для розвитку кормових організмів: водоростей і безхребетних тварин планктону та бентосу.

Згідно з законом Вант-Гоффа, із зростанням температури тіла гідробіонтів на кожні 10°С швидкість метаболічних реакцій подвоюється. Вплив температури на швидкість реакцій визначається коефіцієнтом Q₁₀ за формулою:

Q₁₀ =,

де k ₁ і k₂ – константа швидкості реакцій при температурах t₁ і t₂.

В біологічному діапазоні температур величина Q₁₀ для багатьох метаболічних реакцій коливається в межах 2–2,5.

Порівнюючи споживання кисню водяними тваринами, які перебувають в активному стані і в стані спокою, можна визначити характерні для цих станів рівні обміну речовин при різних температурних умовах. Наприклад, у молюска Cardium величина Q₁₀ для активного стану і спокою дорівнює відповідно 1,84 і 1,2.

Прогрівання водойм відбувається за рахунок надходження на поверхню води сонячної енергії. Від температури водної поверхні залежить теплообмін з більш глибокими придонними шарами води. При цьому, внаслідок нерівномірного нагрівання і охолодження води, на різних глибинах відбувається розшарування водної товщі водойм спочатку за фізичними властивостями, а потім і за хімічними та біологічними характеристиками. Зміни температури води по акваторії і глибині бувають внутрішньодобові, сезонні, річні та багаторічні. Вони залежать, в першу чергу, від режиму надходження та поглинання сонячної енергії. Нагрітий поверхневий шар води перемішується з більш глибокими шарами за рахунок різноманітних гідродинамічних процесів.

Температурний режим водойм включає періоди денного та весняно-літнього нагрівання та нічного і осінньо-зимового охолодження. Завдяки таким коливанням температури відбувається динамічне перемішування водних мас. При цьому періоди нагрівання і охолодження поверхневого шару призводять до формування на певній глибині шару температурного стрибка, або термоклину, щільність води в якому зростає. Водна маса у водоймах має характер стратифікованої тришарової гідрологічної структури, яка включає верхній прогрітий шар води (епілімніон), середній шар стрибка температури (металімніон) та нижній, найбільш холодний (гіполімніон). Таким чином, зона температурного стрибка, або термоклин, є шаром води, у якому вертикальні градієнти температури більш виражені у порівнянні з градієнтами вище або нижче розташованих шарів води. Він утворюється в глибоких озерах, водосховищах, морях і океанах (рис. 114). У таких стратифікованих озерах і водосховищах погіршується обмін речовин і енергії між епі- і гіполімніоном.

Рис. 114. Температурна стратифікація в озері

Період температурної стратифікації, при якому не відбувається циркуляція вод, називається стагнація. Стагнація вод в озерах та інших водоймах з повільною течією води може спостерігатись у зимовий і літній періоди року.

В період зимової стагнації більш тепла вода концентрується в придонних шарах, в період літньої – навпаки. Під час стагнації виникає киснева дихотомія, при якій вміст кисню в поверхневих шарах води значно більший, ніж у глибинних.

Температурна стратифікація водойм є важливим екологічним фактором. В залежності від сезону року на різних глибинах від поверхні до дна водойм міняється температура води. Влітку вона більш холодна із заглибленням, а взимку навпаки, більш тепла. При такій загальній тенденції сезонних змін температури води відзначаються і деякі особливості зимового періоду у температурній стратифікації водойм. Вони пов’язані з різними фазами зимового періоду. Зокрема, фаза охолодження при відсутності льодового покриву на поверхні водойм, характеризується більш теплим придонним шаром води у порівнянні з поверхневим. І навпаки, фаза охолодження мас води під льодовим покривом має зворотню стратифікацію, тобто, підльодні води стають більш теплими, ніж придонні. Відбувається це за рахунок віддачі тепла донними грунтами, підняття більш теплих вод ближче до поверхні, де льодовий покрив захищає їх від переохолодження. У таких шарах води міститься більше кисню, ніж у придонних, де інтенсивно проходять анаеробні процеси, пов’язані з розкладом органічних речовин. У вкритих кригою глибоких озерах і водосховищах риби та інші планк­тонні організми тримаються ближче до поверхневих шарів води (рис. 115).

Рис. 115. Розподіл кисню і температури в озерній екосистемі взимку при замерзанні верхнього шару води. Риби тримаються ближче до поверхневих шарів води (за Оуен, 1977)

У весняну фазу перемішування, коли відсутня температурна стратифікація в озері, гідробіонти, зокрема риби, розселяються по усій товщі води (рис. 116).

Рис. 116. Весняний розподіл температури і кисню в озерній екосистемі у весняну фазу гомотермії (за Оуен, 1977)

Всередині літа, коли чітко проявляється температурна стратифікація у водоймах і термоклин розділяє товщу води на більш насичену киснем верхню (епілімніон) і нижню (гіполімніон), де холодніша і менш насичена киснем вода, планктонні організми і риби зосереджуються у його верхній частині (рис. 117).

Рис. 117. Температурна і киснева стратифікація в озерній екосистемі влітку. Рибне населення перебуває ближче до поверхні водойм (за Оуен, 1977)

Термічний режим водойм залежить від їх географічного положення, клімату, характеру ложа та інтенсивності водообміну. Вони можуть значно відрізнятись за гідрологічним і температурним режимом. Так, при інтенсивному перемішуванні води у неглибоких протічних водоймах може бути відсутньою температурна стратифікація, а температура водних мас залишатись рівномірною по усій їх товщі.

В залежності від особливостей температурної циркуляції протягом року, водойми поділяють на диміктичні (два сезонних цикла перемішування води), мономіктичні (одне перемішування), поліміктичні (циркуляція відбувається постійно), олігоміктичні (циркуляція уповільнена або відбувається рідко) та мероміктичні (має місце постійна стратифікація).

Гідрологічний режим водотоків і водойм з високою протічністю характе­ри­зується слабо вираженою прямою температурною стратифікацією влітку та відсутністю або зворотним характером її взимку. Для таких водних об’єктів вирі­шальну роль у характері стратифікації відіграє температура води, що надходить. Незвичайний характер стратифікації полягає в тому, що взимку у протічних водних об’єктах ближче до поверхні піднімається більш тепла вода.

У слабо протічних водосховищах, до яких відносяться дніпровські, спостерігаються суттєві просторові відмінності термічного режиму. В період весняного танення льодового покриву при повній вертикальній гомотермії (рівномірний розподіл температури по акваторії водойми), температура води у мілководних зонах може перевищувати глибоководну на 4–5°С. Відбувається це за рахунок притоку більш прогрітих вод, що надходять з притоків. В період же осіннього похолодання у більш глибоководних пригреблевих частинах водосховищ температура води утримується на 2–3°С вища, ніж у верхів’ях, куди надходить більш охолоджена вода притоків.

Температурна стратифікація водних мас у водоймах і водотоках створює умови для запобігання як перегрівання, так і переохолоджування гідробіонтів, які мають можливість мігрувати в зони з більш сприятливою температурою води.

Дата добавления: 2014-01-03