Особенности термического режима рек (стр. 14 из 18)
Аналогичные расчеты проведены и по опубликованным данным на рр. Ока (г. Калуга), Каратал (Уш-Тюбе), Аму-Дарья (кишл. Чатлы), Лена (с. Солянка), Индигирка (пос. Воронцово), Оленек (пост Сухана) (Соколова, 1951). Поскольку для них неизвестно положение вертикалей относительно берегов, то для каждой точки измерений в левой части русла
= m/(N+1), где m – номер вертикали в этой «половине» русла, считая от левого берега, N – количество вертикалей в левой части русла. Для правой части русла эта величина определялась аналогично. Результаты сравнения расчетных и фактических значений представлены в таблице 5.7.Таблица 5.6. Величины отклонений f расчетной от фактической температуры воды в разных точках поперечного сечения Оки летом 2007 г.
| № профиля | Параметр а1 | № точки | f, 0С |
| 1п | 0,08 | 1 | <0,01 |
| 2 | 0,032 | ||
| 3 | 0,0184 | ||
| 4 | 0,013 | ||
| 5 | 0,021 | ||
| 6 | <0,01 | ||
| 1 л | 0,1 | 1 | 0,036 |
| 2 | 0,195 | ||
| 3 | 0,02 | ||
| 4 | <0,01 | ||
| 5 | 0,016 | ||
| 6 | 0,016 | ||
| 7 | <0,01 | ||
| 8 | 0,04 | ||
| 9 | <0,01 | ||
| 2 | 0,1 | 1 | 0,045 |
| 2 | 0,22 | ||
| 3 | 0,049 | ||
| 4 | <0,01 | ||
| 5 | 0,019 | ||
| 6 | <0,01 | ||
| 7 | <0,01 | ||
| 3 | 0,06 | 1 | <0,01 |
| 2 | 0,026 | ||
| 3 | <0,01 | ||
| 4 | <0,01 | ||
| 5 | <0,01 | ||
| 6 | <0,01 | ||
| 4 | 0,08 | 1 | <0,01 |
| 2 | 0,116 | ||
| 3 | <0,01 | ||
| 4 | 0,016 | ||
| 5 | <0,01 | ||
| 6 | <0,01 |
Таблица 5.7. Оценка математического ожидания разности расчетных и фактических величин m*(|f|)
| Река | m*(|f|) | σ, 0С | Параметр а1 | Количество измерений | Источник |
| Протва, Исьма | 0,030 | 0,072 | 0,08 | 22 | автор |
| Ока | 0,031 | 0,049 | 0,06–0,1 | 34 | автор |
| Ока | 0,045 | 0,055 | 0,08–0,1 | 59 | ГГИ |
| Каратал | 0,032 | 0,056 | 0,06–0,08 | 29 | ГГИ |
| Аму-Дарья | 0,038 | 0,046 | 0,08 | 20 | ГГИ |
| Лена | 0,234 | 0,357 | 0,08 | 135 | Е.М. Соколова |
| Индигирка | 0,052 | 0,094 | 0,08 | 36 | Е.М. Соколова |
| Оленек | 0,030 | 0,057 | 0,08 | 48 | Е.М. Соколова |
| Волга, Вазуза | 0,083 | 0,134 | 0,08–0,1 | 122 | К.К. Эдельштейн |
Анализ табл. 5.7 показывает, что для большинства рек использование уравнения (5.5) обеспечивает достаточную точность воспроизводства поперечного распределения поверхностной температуры. Отклонения расчетных величин от фактических не превышает 0,050С. Они возрастают с увеличением размера реки, ее ширины. Величина 0,2340С, характерная для Лены, связана также с большим периодом измерений, который потребовался для выполнения работ на более крупной реке. Величина среднеквадратического отклонения ошибки расчета на всех реках (кроме Лены) не превышает 0,090С, при точности измерений температуры воды на пунктах гидрологического мониторинга 0,10С. Полученная статистика устойчива, поскольку количество измерений на каждой реке было достаточно большим.
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»
So = Ip +Sa + Sc + Sr – Slw – Se, (6.1)
где Ip – проникающая в воду (поглощенная) солнечная радиация, Sa – длинноволновое излучение атмосферы, Sc – турбулентный теплообмен с атмосферой, Sr – поступление тепла с атмосферными осадками, Slw – длинноволновое излучение поверхности воды, Se – потери тепла на испарение, So – 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 So. 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
| дата | 13.08.08 | 14.08.08 | 15.08.08 | 16.08.08 | 17.08.08 | 18.08.08 | 19.08.08 | 20.08.08 |
| Расстояние от с. Шуское, км | 0–53 | 59–117 | 123–135 | 137–213 | 220–260 | 260–304 | 310–340 | 347–370 |
| θ,0С | 17,7 | 19 | 19,3 | 20,1 | 20,8 | 21,3 | 21,1 | 20,8 |
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.
| Дата | 13.08 | 14.08 | 15.08 | 16.08 | 17.08 | 18.08 | 19.08 | 20.08 |
| Та,0С | 17,8 | 20,9 | 18,8 | 18 | 22,8 | 23,2 | 22,3 | 18,2 |
| N, баллы | 4,9 | 6 | 3,8 | 8,8 | 7,4 | 6,5 | 9,1 | 5,9 |
| Nh, баллы | 1,6 | 4,3 | 1,9 | 3,4 | 5,3 | 5,6 | 3,8 | 3,9 |
| W, м/с | 1,5 | 3,6 | 2,1 | 0,75 | 1,8 | 2,6 | 2,2 | 1,6 |
| X, мм | 0 | 0 | 0 | 0 | 24 | 0 | 0 | 0 |
| Td | 15,9 | 17,8 | 14,7 | 15,1 | 20,7 | 21,7 | 20,2 | 15,5 |
| hо, % | 88,3 | 83,3 | 79,8 | 84,4 | 89,1 | 92 | 88,75 | 85,6 |
Проникающая в воду солнечная радиация Ip, Вт/м2, определялась по формуле
Ip = (Qпр+qрр) [1-No(1-K)] (1-a), (6.2)
где(Qпр+qрр) – 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); No – общая облачность в долях единицы; K – коэффициент, зависящий от широты места j, градус. Величина этого коэффициента для Северного полушария аппроксимируется зависимостью