Особенности продольного распределения температуры воды в реках

6. Особенности продольного распределения температуры воды в реках

Распределение температуры воды по длине рек определяется факторами ее формирования для каждого участка реки. Соотношение составляющих теплового баланса за некоторый период времени определяет изменение теплосодержания водной массы каждого участка реки.

Согласно уравнению (2.4), изменение теплосодержания определяется тремя составляющими: теплообменом через поверхность «вода-воздух», теплообменом на границе «вода-русло» и внутренними источниками тепла. В летний период последней группой факторов можно пренебречь (они не оказывают существенного влияния на изменение теплосодержания по сравнению с другими составляющими теплового баланса) [Гинзбург и др., 1989].

Рассматривая продольное изменение температуры, будем считать, что в каждом поперечном сечении температурное поле однородно, а тепловое состояние водной массы характеризует средняя в поперечном сечении реки температура воды. В этом случае суммарный поток тепла через границу «река-атмосфера»

S_o =I_p +S_a + S_c + S_r – S_lw – S_e, (6.1)

где I_p – проникающая в воду (поглощенная) солнечная радиация, S_a – длинноволновое излучение атмосферы, S_c – турбулентный теплообмен с атмосферой, S_r – поступление тепла с атмосферными осадками, S_lw – длинноволновое излучение поверхности воды, S_e – потери тепла на испарение, S_o– результирующий теплообмен на границе «речная водная масса – приземный слой атмосферы».

Наибольшее влияние на температуру воды в водных объектах обычно оказывает тепловой поток, поступающий к поверхностному слою водной массы. Влияние теплообмена с грунтами обычно мало. Вследствие этого изменение температуры водного потока можно представить в виде функции, зависящей исключительно от S_o. Если гипотеза о незначительности теплообмена с грунтами верна, то ошибки расчета температуры воды q (по уравнению изменения теплосодержания воды) будут относительно небольшими. При занижении результатов расчета температуры воды (в период осеннего охлаждения) или их завышении (в период летнего нагревания) по сравнению с фактическими измерениями эта гипотеза не подтверждается. Для такого участка реки необходимо учитывать результирующий теплообмен между водной массой и грунтами.

6.1 Расчет температуры воды по метеоданным без учета влияния грунтовых вод и теплообмена с грунтами, а также внутренних источников тепла

Для решения данной задачи были использованы данные, полученные экспедицией Института истории естествознания и техники РАН (13 – 20 августа 2008 г.) на участке р. Сухона от с. Шуское до г. Великий Устюг (рис. 6.1). Измерения температуры воды проводились с помощью кондуктометра с функцией термометра WTW Multi 340i, точность измерений до 0,1⁰С (табл. 6.1). Замеры производились на стрежне реки в среднем через 2,3 км (координаты створов измерений засекалось с помощью GPS-приемника).

Для расчета результирующего потока тепла на верхней границе водной массы были использованы данные наблюдений над метеорологическими характеристиками на метеостанции г. Тотьма с сайта www.rp5.ru (табл. 6.2). В нашем распоряжении были данные о температуре воздуха, общей и низкой облачности, скорости ветра, влажности воздуха, температуре точки росы и сумме осадков. Несмотря на то, что длина участка реки между с. Шуйское и Великим Устюгом равна 370 км, синоптическая ситуация над этой территорией в достаточно хорошей степени характеризуют данные измерений по этой метеостанции.

Таблица 6.1. Изменение среднесуточной температуры воды в период измерений на участке р. Сухона

Для оценки изменения температуры воды при этих синоптических условиях использовано уравнение теплового баланса водотока с суточным разрешением. Расчет составляющих уравнения (6.1) осуществлялся по следующему алгоритму.

Таблица 6.2. Метеорологические данные (метеостанция г. Тотьма) с 13 по 20 августа 2008 г.

Проникающая в воду солнечная радиация I_p, Вт/м², определялась по формуле

I_p = (Q_пр+q_рр) [1-N_o(1-K)] (1-a),  (6.2)

где(Q_пр+q_рр) – суммарный среднесуточный поток солнечной радиации, Вт/м², поступающий на горизонтальную поверхность водного объекта при безоблачном небе, нулевом альбедо и влажности воздуха, средней для данной широты места. В этой случае величина потока тепла задается по табличным значениям, приведенным в работе (Мишон, 1983); N_o – общая облачность в долях единицы; K – коэффициент, зависящий от широты места j, градус. Величина этого коэффициента для Северного полушария аппроксимируется зависимостью

K = 0,304+0,0023exp (0.0628j)

где а = 0.074 – среднесуточное альбедо водной поверхности.

Длинноволновое излучение атмосферы S_a, Вт/м², – один из наиболее важных источников поступления тепла в водоем при облачной погоде. Для его определения использовалась формула А.П. Браславского, рекомендованная для расчетов теплового баланса водоемов средних размеров (Одрова, 1979)

S_a= s(273.16+T₂)⁴ (b₁+b₂), (6.3)

где s = 5.67×10^-8 Вт/(м² К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана; T₂ – температура воздуха над водотоком, ^оС

T₂ = T_a + (θ – T_a) К_р, (6.4)

где θ- температура участка реки, ^оС; Т_а – температура воздуха на метеостанции, ^оС; К_р – коэффициент, учитывающий длину разгона ветра, определяемый в соответствии с указаниями для его расчета (Самохин, Соловьева, Догановский, 1980). Применительно к имеющимся данным К_р = 0,5.

b₁ = (1-N_o) [0.475+0.19], (6.5)

b₂ = 0.1N_н+0.85N_o, (6.6)

где N_н и N_o- нижняя и общая облачность в долях единицы.

e₂ = e_a + (0.8e_o- e_a) К_р.  (6.7)

Здесь e_o – максимальная упругость водяного пара при температуре поверхности водоема, Мб. Ее величина определяется по формуле

e_o = 6,11exp (17.14θ/(235+ θ)) (6.8)

e_a – абсолютная влажность воздуха на метеостанции, мб, определяемая по уравнению

, (6.9)

где T_d – температура точки росы, ⁰С; h_о – относительная влажность, %.

Длинноволновое излучение поверхности водотока S_lw, Вт/м², описывается уравнением Стефана-Больцмана

S_lw= sb_о(273,16+θ)^4, (6.10)

где b_о – излучательная способность поверхности участка реки относительно абсолютно черного тела. Для чистой водной поверхности её значение принято равным 0,91.

Потери тепла на испарение S_e, Вт/м² с поверхности водотока определяются по зависимости

S_e = 4,85×10^-5r_sE (597–0,57θ), (6.11)

где r =1000 кг/м³ - плотность воды; E – интенсивность испарения, мм/сутки. Слой испарения рассчитывается по формуле Б.Д. Зайкова (Михайлов, Добровольский, Добролюбов, 2007)

E = 0,14 (e_o-e₂) (1+0,72W₂), (6.12)

где W₂ – скорость ветра на высоте 2 м над водой, м/с, определяется в соответствии с указаниями (Самохин, Соловьева, Догановский, 1980)

W₂ = K₁K₂K_р W_ф, (6.13)

где K₁ коэффициент, учитывающий изменение шероховатости местности в связи с местоположением флюгера метеостанции, К₂ – коэффициент, учитывающий положение флюгера метеостанции с учетом орографии местности. Для метеостанции Тотьма они равны 1,8 и 0,9 соответственно.

Турбулентный теплообмен с атмосферой S_c, Вт/м², рассчитывается исходя из уравнений потока тепла и влаги по зависимости, предложенной Б.Д. Зайковым,

S_c = 2,65 (Т₂-θ) (1+0,72W₂), (6.14)

Поступление тепла с атмосферными осадками S_r, Вт/м². Тепло, поступающее в водоем с жидкими осадками, рассчитывается по выражению

S_r = 4,85×10^-2Т₂Н, (6.15)

где Н – слой жидких осадков, мм.

В соответствии с уравнением (6.1) получаем поток тепла на поверхности «вода – воздух» за 1 секунду. Расчет изменения температуры воды за сутки вычисляется в соответствии с формулой

(6.16)

где С – теплоемкость воды, Дж/(кг⁰С), h – средняя глубина водотока (для р. Сухона принята равной 2,5 м). Таким образом, зная температуру воды в некоторый начальный момент времени, можно рассчитать ее изменение для любого промежутка времени по известным метеорологическим данным.

Таблица 6.3. Сравнение фактических и рассчитанных температур воды на участке р. Сухона (с. Шуйское – Великий Устюг)

Сравнение фактических и рассчитанных температур воды показывает, что средняя ошибка за весь период измерений составляет 0,67⁰С. В период 14 по 18 августа средняя ошибка расчета температуры воды составляет 0,28⁰С. В последние два дня измерений (19 и 20 августа) рассчитанные температуры воды оказались выше по сравнению с фактическими данными. Возможно это связано с влиянием синоптических условий в районе Великого Устюга, отличающихся от условий метеостанции Тотьма, более низкими температурами.

Таблица 6.4. Метеорологические данные по станции Тотьма 13–20 августа 2008 г.

Условные обозначения: Т_а – температура воздуха, N – общая облачность, Nh – низкая облачность, U – скорость ветра, x – количество осадков, Td – температура точки росы, h_о – относительная влажность.

Таблица 6.5. Сравнение фактических и рассчитанных температур воды по метеорологическим данным (станция г. Великий Устюг) на участке Сухоны (с. Шуйское – Великий Устюг)

Сравнение рассчитанных и фактических температур воды (рис. 6.2) показывает, что разность фактических и расчетных значений температуры воды за весь период наблюдений составил 0,4⁰С, т.е. меньше по сравнению с расчетом по данным метеостанции Тотьма. Относительно большая ошибка получилась при расчете температуры воды за 14 августа, что связано с влиянием погрешностей учета синоптических условий по мере удаления от Великого Устюга и приближения к Тотьме. Средняя ошибка расчета температуры воды за период с 15 по 20 августа составила 0,28⁰С, т.е. такую же величину, как и при использовании данных по Тотьме в качестве граничных условий.

Из этого следует, что уравнение теплового баланса обеспечивает достаточно точные оценки продольной изменчивости температуры воды на участках рек с длиной до 270 км, когда для р. Сухоны можно пренебречь влиянием более холодных грунтовых вод и теплообменом с грунтами, а также использовать данные по одной метеостанции. В этом случае точность расчета составляет не меньше 0,3⁰С.

Похожие работы

Оценка экологических и экономических последствий строительства и эксплуатации водохранилищ

Скачать

224699

13

7

... в предсказании краткосрочных процессов (на 10-15 лет), что связано с отсутствием необходимых материалов о состоянии компонентов экосистем и процессах их эволюционных и циклических изменений.   1.4 Экономические последствия строительства и эксплуатации водохранилищ   1.4.1 Воздействие ГТС на земельные ресурсы Изменения, вносимые созданием и эксплуатацией ГТС в режим водотока, как и изменения, ...

Происхождение, термический режим и природные ресурсы озер

Скачать

49958

1

0

... и хищниками. Прежде всего, поедаются более крупные, т.е. более заметные, рачки. Иначе говоря, хищничество носит избирательный характер.[7] Глава 3. Ресурсы и охрана озёр   3.1 Природные ресурсы   Озера таят в себе огромные богатства. Озера – это запасы пресной воды и рыбы, добыча полезных ископаемых и транспортные перевозки, источники электроэнергии и курорты. Пресноводные озера являются ...

Подземные воды зоны многолетней мерзлоты и реки

Скачать

42773

0

2

... СТС, 9- уровень подземных вод, 10- направление движения подземных вод, 11- буровые скважины В южных районах криолитозоны (при островном расположении ММП) неконтактирующие подземные воды отделены от подошвы мерзлой зоны водопроницаемыми породами, имеют ненапорный свободный уровень и связаны в единую систему с таликами, разделяющими мерзлые острова (рис.1, Ж). Межмерзлотные и внутримерзлотные ...

Реки умеренного климата. Годовая амплитуда температур

Скачать

39662

0

0

... выделяется один максимум после дня летнего солнцестояния и один минимум - после дня зимнего солнцестояния в Северном полушарии. В морском подтипе годовая амплитуда температур равна 5°, в континентальном 10-20°. В умеренном типе годового хода температуры также наблюдается один максимум после дня летнего солнцестояния и один минимум после дня зимнего солнцестояния в Северном полушарии, зимой ...