Московский Государственный Университет Природообустройства
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

Кафедра комплексного использования водных ресурсов

           Содержание
 Введение
 Осн. обозначения

Лекционный курс
 Лекция № 1-2
 Лекция № 3-4
 Лекция № 4-5
 Лекция № 6
 Лекция № 7
 Лекция № 8

Практический курс
 Практика № 1
 Практика № 1-2
 Практика № 2-3
 Практика № 4
 Практика № 5
 Практика № 6
 Практика № 7
 Практика № 8
 Практика № 9

    Литература Рекомендуемая литература 

           Скачать
 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ "ОСНОВЫ ГИДРОФИЗИКИ"
Автор: Козлов Д. В.

  Скачать Методичку

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ "ОСНОВЫ ГИДРОФИЗИКИ"
Автор: Козлов Д. В.

4.  РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ ЧЕРЕЗ ПОВЕРХНОСТЬ И ДНО ВОДОЕМА

Сумма тепловых потоков, проходящих через поверхности водоема и определяющих его тепловой баланс, может быть представлена в следующем виде:

 

(4.1)

 

где QR — количество теплоты, определяемое радиационным балансом водной поверхности; Qк — количество теплоты, обусловленное конвективным теплообменом между водной поверхностью и воздушной средой над водоемом; Qи — количество теплоты (теплоотдача), определяемое испарением воды с поверхности водоема (или количество теплоты, приходящее при конденсации пара); ΔQпр — количество теплоты, приносимое водами притоков или промышленными водами; Qд — количество теплоты, обусловленное теплообменом между водой и дном; ΔQгр — количество теплоты, приносимое грунтовыми водами; ΔQос — теплота, поступающая в водоем с осадками.

Другие элементы теплового баланса в уравнении (4.1) за их малостью не рассматриваются. Например, для рассматриваемых водоемов не учитывается теплота перехода механической энергии движения воды в тепловую энергию, теплота биохимических процессов и ряд других несущественных составляющих теплового баланса, значения которых лежат в пределах точности расчетов.

В уравнении (4.1) величина QR всегда по знаку положительная, а остальные элементы могут иметь разные знаки.

Дифференциальное уравнение (в лекционном курсе (5.19)) позволяет

 

(*)

 

определить ход во времени средней по глубине температуры воды при заданных значениях составляющих правой части уравнения. Рассмотрим составляющие теплового баланса и методы их расчета для открытых водоемов. Все составляющие измеряются в ваттах на квадратный метр.

1.  Радиационный баланс. Количество теплоты, равное поглощенной водой солнечной радиации за вычетом эффективного излучения определяется по формуле (в лекционном курсе (3.21в)):

QR = (1 - A) (Qп.р + qр.р) – Iэф.                              (4.2)

Правая часть равенства (4.2) включает в себя суммарную солнечную радиацию Qп.р + qр.р при наличии облачности, падающую на водную поверхность, и эффективное излучение воды Iэф. Суммарная солнечная радиация состоит из прямой (Qп.р) и рассеянной (qр.р) радиации. Интенсивность ее меняется с высотой Солнца, высотой местности над уровнем моря, а также зависит от прозрачности атмосферы, облачности и других факторов. При отсутствии данных актинометрических наблюдений суммарная солнечная радиация может быть рассчитана по формулам в зависимости от интенсивности солнечной радиации при безоблачном небе (Qп.р + qр.р)0. Интенсивность солнечной радиации при безоблачном небе для любой точки земного шара и любого часа года оценивается по формулам (например, по формуле М.Е.Берлянда) и таблицам [36].

Поступившая к поверхности воды солнечная радиация только частично ею поглощается, другая часть отражается водной поверхностью. Отраженная радиация зависит от альбедо этой поверхности A (в лекционном курсе Лекция №4-5). При большой высоте Солнца альбедо имеет минимальное значение, при приближении же Солнца к горизонту оно увеличивается в несколько раз. Значения альбедо водной поверхности можно найти в таблице [36], составленной для различных широт земного шара.

Поверхность воды излучает теплоту в окружающее ее пространство. В свою очередь, от атмосферы приходит встречный поток излучения к воде, основную роль в котором играет водяной пар. Разность теплоты этих потоков является эффективным излучением водной поверхности. Эффективное излучение при безоблачном небе может быть оценено по таблице [36].

Из большого числа формул, принятых для расчета радиационного баланса, рассмотрим только те, которые приводятся в рекомендациях [36]:

формула А.П.Браславского и З.А.Викулиной

 

(4.3)

 

формула М.И.Будыко

 

(4.4)

 

В этих формулах (Qп.р + qр.р)0 — суммарная солнечная радиация при безоблачном небе на уровне моря; А — альбедо поверхности воды в относительных единицах; kе, kz, kн, kв+с, k, c — коэффициенты, зависящие от влажности воздуха, высоты местности над уровнем моря, облачности нижнего и совместно верхнего и среднего ярусов, географической широты и других факторов; п0, пн — облачность общая и нижняя в долях единицы; γ — доля радиации, повторно рассеянной облаками по направлению к поверхности воды; σ — постоянная Стефана—Больцмана; Тп и Тθ — абсолютная температура поверхности воды и воздуха на высоте 2 м; b1 и b2 — величины, зависящие от влажности воздуха и облачности; Iэф0 — эффективное излучение при безоблачном небе.

2.  Конвективный теплообмен. Теплоотдача испарением. Рекомендации по расчету количества теплоты, определяемой конвективным теплообменом (Qк) и испарением (Qи) здесь рассматривать не будем, так как они приведены в лекционном курсе (Лекция №4-5) при рассмотрении основных закономерностей температурного поля.

3.  Количество теплоты, приносимое водами притоков или промышленными водами, отнесенное к единице его поверхности, определяется по формуле

ΔQпр = [(cρQв)/Ω] Δt,                                          (4.5)

где Qв — средний за период расчета расход воды притока; Ω — площадь водной поверхности водоема; Δt = tпр - tв — разность между температурой воды приток а и водоема.

4.  Теплообмен с дном. Теплообмен между водой и грунтом дна оценивается в зависимости от типа водоема. В том случае, когда водоем мелкий (неглубокий) оценка количества теплоты, проходящей через дно, осуществляется по закону Фурье (формула (3.9) в лекционном курсе Лекция №4-5):

(4.6)

 

В глубоком водоеме градиент температуры принимается равным нулю, а в очень глубоком - температура предполагается постоянной у дна, т. е. и

Поэтому в таких водоемах теплообмен с дном равен нулю.

Для определения теплообмена с дном по формуле (4.6) необходимы данные о ходе придонной температуры воды или о ходе температуры грунта, слагающего дно. Эти сведения получить весьма трудно: необходимо выполнить натурные измерения либо задать ход температуры со стороны воды или со стороны грунта. Оба пути неприемлемы в случае вычисления температуры воды водоема или расчета его теплового баланса. Поэтому рекомендуется пользоваться готовой таблицей [36] для определения средних значений потоков теплоты через дно водоема, составленной для различных широт территории бывшего СССР и различных месяцев года.

5.  Количество теплоты, приносимое грунтовыми водами, обусловливающее изменение энтальпии водоема, отнесенное к единице его поверхности, определяется по формуле

ΔQгр = [(cρQгр)/Ω] Δt,                                          (4.7)

где Qгр — средний за период расчета расход грунтовой воды; Δt = tгр - tв — разница между температурой грунтовой воды и водоема.

6.  Приход теплоты с атмосферными осадками. Количество теплоты, поступающее в водоем с атмосферными осадками, определяется по одной из следующих формул:

для жидких осадков

Qос.ж = cρhжθ2,ж ,                                                  (4.8)

для твердых осадков

Qос.т = -(cтρтhтθ2,т + Lплρтhт + cρhт,жt),                  (4.9)

где hж и hт — слой жидких и твердых осадков; θ2,ж и θ2,т — температура жидких и твердых осадков, принимаемая равной температуре воздуха на высоте 2 м; cт и ρт — удельная теплоемкость и плотность твердых осадков; hт,ж — слой жидких осадков, образовавшийся из твердых; t — температура воды водоема; Lпл — удельная теплота плавления твердых осадков.

В формуле (4.9) первое слагаемое справа учитывает количество теплоты, необходимое для нагревания твердых осадков от температуры θ2,т до 0°С, второе — количество теплоты, необходимое для расплавления твердых осадков, третье — количество теплоты, необходимое для нагревания жидких осадков, полученных от таяния твердых, от температуры 0°С до температуры водоема t.


На Практическое занятие № 2-3
На Практическое занятие № 5

Copyright © 2002-2007 ГОУ Московский государственный университет природообустройства.                                                                                                           Наш e-mail: mailto:web-msuee@rambler.ru
Руководитель проекта: В.В. Шабанов
Дизайн и програмирование: Сиранчиев К.А.