Тепловой баланс водных объектов

Общий вид уравнения теплового баланса. При решении весьма многих гидрологических вопросов широкое применение на­ходят законы сохранения энергии и материн, записанные в форме уравнения теплового баланса, применительно к условиям водных объектов.

Использование уравнения теплового баланса позволяет решать задачи, относящиеся к области расчета нагревания и охлаждения воды в реках и озерах, таяния снега, испарения воды, нарастания льда, и выяснять закономерность развития ряда других важных гидрологических процессов, совершающихся под влиянием тепло­обмена между водными объектами и окружающей средой, количе­ственным выражением которого и является уравнение теплового баланса.

При составлении уравнения теплового баланса необходимо осу­ществить учет всех потоков тепла, поглощаемых рассматриваемым водным объектом или расходуемых им через плоскости раздела, ограничивающие его от окружающего пространства. Элементами теплообмена между водным объектом и окружающей средой яв­ляются:

Sср - поглощаемая водой (снежным, ледяным покровом) сум­марная (прямая и рассеянная) коротковолновая солнечная радиа­ция;

Sиа - поглощаемое водой (снежным, ледяным покровом) встреч­ное длинноволновое излучение атмосферы;

Sив - потери тепла водой (снежным, ледяным покровом) путем длинноволнового излучения;

Sтa - турбулентный обмен тепла с атмосферой путем конвекции, молекулярной и турбулентной теплопроводности (за счет разности температуры воды и воздуха);

Sик - тепло, затрачиваемое на испарение или выделяемое при конденсации;

Sтд - теплообмен с дном;

Sпр - тепло, приносимое водой притоков и источников; на бес­приточном участке реки - тепло, поступающее через входной створ участка;

Sст - тепло, выносимое поверхностным и подземным стоком; на бесприточном участке реки - тепло, приносимое через выходной створ участка;

Soc - тепло, поступающее от дождевых осадков или затрачи­ваемое на таяние снега, выпадающего в водоем;

S'ик - тепло, теряемое вместе с испарившейся водой или прихо­дящее вместе с конденсирующимся паром воды;

Sл - тепло, выделяемое при образовании льда или затрачивае­мое при его таянии на месте (в пределах данного водоема или в пределах рассматриваемого участка);

Sлп - тепло, затрачиваемое на таяние льда, внесенного на рас­сматриваемый участок реки или водоем притоками;

Sкэ - тепло, выделяемое при рассеянии кинетической энергии.

Помимо указанных элементов теплообмена, на температуру воды оказывает влияние тепло, выделяющееся при биохимических процессах, тепло, поступающее из недр земли; отраженная от бе­рега и суммарная солнечная радиация и т. п. Существенного влияния эти источники тепла обычно не оказывают и поэтому в тепловом балансе не учитываются. Тепло Sкэ, выделяющееся при движении жидкости за счет сил трения, начинает играть заметную роль лишь при скоростях течения, превышающих 0,4—0,5 м/с, на­блюдающихся в реках и сильно проточных озерах и водохрани­лищах.

Составляющие теплового баланса Scp, Sиа, Sпр и Sкэ всегда по­ложительны; Sив, Sст и Sлп всегда отрицательны; остальные состав­ляющие могут обусловливать как увеличение, так и уменьшение запаса тепла в водной массе. Тепловой поток Sик положителен при конденсации и отрицателен при испарении. Если тепловые потоки Sта и Sтд направлены от водной массы в атмосферу или литосферу, то они будут иметь отрицательный знак, при обратном потоке тепла эти составляющие войдут в уравнение теплового баланса со знаком плюс. При образовании льда тепловой поток Sд положителен, при таянии - отрицателен; значение Soc положи­тельно при дождевых осадках и отрицательно при снеге.

Сопоставляя положительные и отрицательные тепловые потоки, можно найти величину результирующего теплового потока S, ха­рактеризующую изменение теплосодержания в рассматриваемом объеме воды за промежуток времени τ. При увеличении содержа­ния тепла в озере S положительно, а при уменьшении - отрица­тельно.

Учитывая изложенное, уравнение теплового баланса для неко­торого периода времени τ может быть записано в виде

Во многих случаях нет необходимости учитывать все перечис­ленные составляющие теплового баланса. Так, в теплый период года, а на незамерзающих водных объектах и в течение любого периода нет необходимости учитывать теплоту образования и тая­ния льда Sл, Sлп. Применительно к условиям бессточных озер от­падает тепловой поток Sст.

Часто можно пренебречь теплом, приносимым притоками (Sпр),дождевыми осадками (Soc) и затрачиваемым на таяние льда (Sлп), приносимого притоками. На глубоких озерах (глубиной бо­лее 20 м) можно пренебречь и членом Sтд, так как годовой ход температуры у дна таких озер сильно сглажен и потому теплооб­мен между водной массой и ложем очень мал. На мелководных озерах, особенно в период ледостава, роль теплообмена с дном возрастает и пренебрегать членом Sтд уже нельзя.

Для периода, когда на водоеме отсутствуют ледовые образо­вания, основную роль в тепловом балансе играет суммарная сол­нечная радиация Scp, излучение атмосферы Sиа, излучение воды Sив, расход тепла на испарение Sис и турбулентный теплообмен с атмосферой Sта, характеризующие теплообмен водной массы с атмосферой.

При наличии снежно-ледяного покрова и установившегося в его толще теплового режима тепловые потоки, характеризующие теп­лообмен с атмосферой (Scp, Sиа, Sис, Sта), можно заменить одним потоком Sтлс, выражающим тепловой поток от воды в атмосферу сквозь снежно-ледяную толщу. Допускаемая при такой замене неточность, являющаяся следствием неучета части солнечной ра­диации, проникающей в воду, становится существенной лишь для условий весны, когда после схода снежного покрова некоторая часть солнечной радиации начинает проникать сквозь лед в воду.

Если уравнение теплового баланса составляется для годового периода, то составляющие Sтд (теплообмен с дном) и Sл (тепло, выделяемое при образовании льда или затрачиваемое при его тая­нии) в него не войдут, так как в течение года теплоотдача дну компенсируется приходом тепла от него, а тепло, выделяемое при образовании льда, компенсируется затратами тепла при его таянии.

Для периода весеннего снеготаяния уравнение теплового ба­ланса снежного покрова сокращается до вида

где Sсн - итоговый приход тепла к снегу.

В этом случае теплоприход от почвы обычно невелик и им мо­жно пренебречь. Приток тепла за счет жидких осадков также до­статочно мал и может не приниматься во внимание. Обычно не учитывается и тепло, расходуемое на изменение температуры снега.

При составлении уравнения теплового баланса все его состав­ляющие должны быть выражены в одинаковых тепловых единицах в виде количества тепла (кал, ккал) или в форме теплового потока, отнесенного к единице поверхности [кал/(см²*сут), кал/(см²*год)].

Дата добавления: 2015-07-13