Тепловой баланс

Общие положения. Колебания температуры воды в реках и во­доемах, нагревание и охлаждение почвы, таяние снега, нарастание и разрушение ледяного покрова - все эти явления связаны с теп­ловым балансом участков земной поверхности или воды в реках и водоемах. Решая соответствующее уравнение, можно определить интенсивность этих процессов в конкретных условиях.

Уравнение теплового баланса составляется или для некоторого замкнутого объема, например для объема воды на участке реки, как это делается и при расчетах водного баланса, или для поверх­ности воды, снега, льда. Так, при расчете нарастания льда на во­доемах используют уравнение теплового баланса для поверхности воды подо льдом, а при расчете снеготаяния - для самого верх­него слоя снега.

При составлении уравнения теплового баланса включаются все слагаемые, вносящие существенный вклад в баланс данной среды. Некоторые второстепенные элементы не учитываются, если вели­чина их того же порядка, что и погрешность главных слагаемых. Решая уравнение, можно определить неизвестное слагаемое, если известны все остальные. С помощью метода теплового баланса можно вывести также расчетные уравнения, например уравнение для расчета толщины льда на водоемах, как это будет показано в главе о ледовом режиме рек.

Уравнение теплового баланса для участков суши. Использует­ся для определения испарения, таяния снега и ледников.

Для поверхности суши с любым покровом уравнение теплового баланса запишется:

Здесь: (Q+q) - поступление прямой и рассеянной радиации, I - эффективное излучение поверхности; Р - теплообмен с атмо­сферой; F - теплообмен с грунтом, толщей снега или льда; Qи - расходование или получение тепла в результате испарения и кон­денсации, Qc - то же в результате замерзания воды или таяния снега и льда; r - альбедо поверхности - отношение отраженной солнечной радиации к поступившей; все слагаемые выражаются в кал/см2. Выражение [(Q + q)*(1 - r) - I] обычно обозначается через R и называется радиационным балансом. Радиационный баланс, как видим, равен разности между поглощенной коротковолновой радиацией и эффективным излучением поверхности. Он будет поло­жительным, когда (Q + q)*(I - r) более I, и отрицательным при обратном соотношении. Все остальные величины в уравнении могут иметь как положительный, так и отрицательный знаки.

В теплый период, когда на поверхности нет ни снега, ни льда, слагаемое Qc выпадает, но зато F приобретает большое значение, так как происходит нагревание или остывание почвы до значи­тельной глубины. Нагревание наблюдается весной после схода снега и в первой половине лета, а остывание - осенью. Сезонные колебания температуры распространяются до глубины 1 - 1,5 м, а в скальных грунтах - до 3 м.

Зимой, когда поверхность земли покрыта слоем снега, слагае­мое Qc ничтожно мало, так как тепло, выделяющееся при замер­зании воды в почве, не достигает поверхности снега. Тепловой по­ток из почвы вообще незначителен и даже при непромерзшей поч­ве не распространяется через толщу снега. Слагаемое F в этом: случае характеризует главным образом изменение количества теп­ла в самом верхнем слое снега.

Весной, когда снег тает, роль слагаемого Qc резко возрастает. При стаивании 25-30 мм снега в сутки (в пересчете на воду) расходуется 840-1050 Дж (200—250 кал), что составляет около половины суточной суммы прямой солнечной радиации, поступаю­щей к поверхности снега в средних широтах. Слагаемое F по-прежнему мало, так как снег накапливает мало тепла, а тепло­обмен с почвой при сплошном снежном покрове, как показали исследования П. П. Кузьмина, не превышает ±42 Дж/см^ (±10 кал/см²) в сутки, что составляет не более 2-3% прихода тепла от радиации.

Уравнение теплового баланса для участка реки. В данном слу­чае рассматривается объем воды на участке реки, ограниченном двумя створами. На участке могут впадать притоки и иметь место поступление грунтовых вод или фильтрация в грунт. Уравнение теплового баланса записывается:

Здесь слагаемые R, Р и Qи имеют тот же смысл, что и в уравне­нии (1); q_л - приход или расход тепла в результате фазовых переходов (образование и таяние льда); q_д - теплообмен между водным потоком и его ложем; q_э - поступление тепла в резуль­тате перехода кинетической энергии потока в тепловую (диссипация энергии); т_г— поступление тепла с грунтовыми водами или расходование в случае фильтрации воды в грунт; m_с - поступле­ние тепла на рассматриваемый участок реки через верхний створ и створы на притоках минус вынос тепла через выходной створ; S -изменение запаса тепла в водной массе за расчетный интервал времени.

Все слагаемые левой части уравнения выражаются в Дж/см² поверхности воды на участке реки и могут быть как положитель­ными, так и отрицательными, за исключением q_э - перехода кине­тической энергии в тепловую, которая всегда положительна. Ре­зультирующая величина S может иметь как тот, так и другой знак, причем знак плюс означает, что вода приобретает некоторое количество тепла и нагревается, а знак минус - потерю тепла и охлаждение или нарастание льда.

Иногда в уравнении учитывают также поступление тепла с жидкими осадками или его расходование на таяние снега, выпа­дающего на водную поверхность.

В период открытого русла, когда солнечная радиация и тепло­обмен с воздухом абсолютно преобладают, q_э и q_д иногда прене­брегают за их малостью. Слагаемое q_л также выпадает, так как льда на реке нет и таяние его или образование не происходит. В некоторых случаях можно пренебречь и слагаемым m_г, когда поступление грунтовых вод или фильтрация речной воды в грунт на участке малы.

При ледоставе картина совершенно меняется. Радиационный баланс воды подо льдом становится очень малым, при этом тепло­обмен с воздухом также почти прекращается. Зато возрастает роль теплообмена с ложем и поступление тепла с грунтовыми водами, особенно там, где выходы их в русло значительны. Поступление тепла от грунта в зимние месяцы может доходить до 85-125 Дж/см² (20-30 кал/см²) в сутки, тогда как в летние месяцы наблюдается расходование тепла приблизительно в тех же раз­мерах. Таким образом, при составлении уравнения баланса приме­нительно к конкретному участку реки и определенному сезону его можно упростить путем исключения малозначащих элементов на основе учета гидрогеологических особенностей местности, фазы водного режима реки и условий

Дата добавления: 2015-07-13