9.6. Температурний та термічний режим водних об'єктів

Сукупність змін температури води по акваторії і глибині протягом певного проміжку часу називають температурним режимом водного об'єкта. Коливання температури води у водних екосистемах можуть бути добові, місячні, сезонні, річні та багаторічні. У таких випадках говорять про середньодобову, середньомісячну, середньосезонну та середню температуру за ряд років. Температура визначає особливості термічного режиму водойм. Під останнім розуміють не тільки зміни 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 ЇЇ величину при температурі О °С.

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

W=Ср*p*T*V,

де Сp — питома теплоємність води; р — її щільність; Т — середня температура води; V — об'єм води.

Найбільші теплозапаси у водних об'єктах припадають на кінець літа, коли добові втрати тепла майже дорівнюють величині його надходження з сонячною енергією. Різниця між максимальною і мінімальною величинами теплозапасів називається тепловим запасом водойм. Це дуже важливий в екологічному відношенні показник водного середовища. Встановлено, що між середньорічною, особливо весняно-літньою, температурою води і показниками росту риб, які перебувають у природних водоймах, існує прямий корелятивний зв'язок. Наприклад, якщо сума градусо-днів у вегетаційний період у місцях розташування рибоводних ставків становила 2 000 і більше, маса коропів дворічного віку досягала 450—500 г, а при більш прохолодному літі (1 700—1 800 градусоднів) не перевищувала 370 г. Така залежність обумовлена, з одного боку, інтенсифікацією метаболічних процесів у організмі риб, 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:

де k₁ і k₂— константи швидкості реакцій при температурах t₁ і t₂.

У 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 придонними шарами води. При чому, 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. 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, до якої належать верхній прогрітий шар стрибка температури (металімніон), та нижній, найхолодніший (гіполімніон). Таким чином, зона температурного стрибка, або термоклин, є шаром води, в 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. 101). У таких стратифікованих озерах і водосховищах похіршується обмін речовин і енергії між епі- і гіполімніоном.

Період температурної стратифікації, при якому не відбувається циркуляція вод, називається періодом стагнації. В озерах та інших водоймах з повільною течією води такий стан може спостерігатись у зимовий і літній періоди року.

У піріод зимової стагнації тепліша вода зосереджується в придонних шарах, у період літньої – навпакию 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. У залежності від сезону року на різних глибинах від поверхні до дна водойм міняється температура води. Влітку зі збільшенням глибини вона більш холодна, 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 за відсутності льдового покриву на поверхні водойм, характеризується більш теплим придонним шаром води у порівнянні з поверхневим. І навпаки, фаза охолодження мас води під льодовим покривом має зворотну стратифікацію, тобто, підльодні води стають теплішими, ніж придонні. Відбувається це внаслідок віддачі тепла донними ґрунтами, підняття тепліших 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. 102).

У весняну фазу перемішування, коли відсутня температурна стратифікація в озері, гідробіонти, зокрема риби, розселяються по усій товщі води (рис. 103).

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 верхній частині водойми (рис. 104).

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 проточних водоймах може бути відсутньою температурна стратифікація, а температура водних мас залишатись рівномірною по всій їх товщі.

У залежності від особливостей температурної циркуляції протягом року водойми поділяють на диміктичні (два сезонних цикли 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 проточністю 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 проточних водосховищах, до яких належать 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 внаслідок притоку більш прогрітих вод, що надходять з притоків. У період же осіннього похолодання у більш глибоководних пригреблевих частинах водосховищ температура води утримується на 2—З °С вищою, ніж у верхів'ях, куди надходить холодніша 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.