Головна
Банківська справа  |  БЖД  |  Біографії  |  Біологія  |  Біохімія  |  Ботаніка та с/г  |  Будівництво  |  Військова кафедра  |  Географія  |  Геологія  |  Екологія  |  Економіка  |  Етика  |  Журналістика  |  Історія техніки  |  Історія  |  Комунікації  |  Кулінарія  |  Культурологія  |  Література  |  Маркетинг  |  Математика  |  Медицина  |  Менеджмент  |  Мистецтво  |  Моделювання  |  Музика  |  Наука і техніка  |  Педагогіка  |  Підприємництво  |  Політекономія  |  Промисловість  |  Психологія, педагогіка  |  Психологія  |  Радіоелектроніка  |  Реклама  |  Релігія  |  Різне  |  Сексологія  |  Соціологія  |  Спорт  |  Технологія  |  Транспорт  |  Фізика  |  Філософія  |  Фінанси  |  Фінансові науки  |  Хімія

Особливості термічного режиму річок - Геологія

Введення

Стан водних об'єктів описується сукупністю різних характеристик. У їх число входять: рівень, витрата, каламутність, мінералізація, біомаса, температура води та інші характеристики в даний момент часу. Закономірно повторювані зміни цих характеристик визначають гідрологічний режим водного об'єкта. Однією з важливих характеристик стану і режиму водного об'єкта є температура води, яка визначає тепловий стан і термічний режим водних об'єктів. Термічний режим річок - це закономірні повторювані зміни теплового стану водотоків. Вивчення теплового стану і термічного режиму має велике значення для вирішення ряду наукових і практичних завдань.

Метою дипломної роботи є вивчення закономірностей мінливості температури води по глибині, ширині та довжині річок, оцінка ефективності теоретичних співвідношень щодо відтворення фактичних розподілів температури води. Для її досягнення були поставлені кілька завдань:

1) Виведення рівняння для аналітичного опису епюри температури води;

2) Вивчення неоднорідності температури води за глибиною річок;

3) Аналіз розподілу температури води по ширині річок;

4) Вивчення закономірностей зміни теплового стану водної маси по довжині річок;

5) Оцінка ефективності використання рівняння теплового балансу річки для розрахунку поздовжнього зміни температури води в річках;

Для вирішення поставлених завдань використані дані спостережень автора за температурою води р. Оки у д. Трегубова. Також були використані матеріали спеціальних спостережень автора на р. Протва в районі гирла Ісьми в липні 2008 року. Крім того були використані опубліковані дані спостережень за вертикальним розподілом температури води на гирловому ділянці р. Нева.

Для вивчення поздовжньої мінливості температури води були використані дані експедиції Інституту історії природознавства і техніки РАН про температуру води р. Сухона на ділянці від с. Шуйское до м Великий Устюг, а також метеорологічні дані з сайту www.rp5.ru.

Робота складається з 6 розділів. Перші три розділи - загальні, присвячені масштабами просторової і тимчасової мінливості температури води і доцільності їх поєднань, факторам формування термічного режиму річок і механізмам впливу цих факторів на температуру води на ділянці річки. У третьому розділі отримані рівняння, що описують розподіл температури води по глибині і ширині потоку. Четверта глава присвячена аналізу натурних даних про вертикальну мінливості температури води, їх типізації та порівнянні даних вимірювань з теоретичними висновками. У п'ятому розділі проводиться аналіз даних спостережень за розподілом поверхневої температури води поперек потоку і порівняння теоретичних результатів з натурними даними. Шоста глава присвячена оцінками можливості розрахунку температури води по довжині р. Сухона залежно від припливу тепла до кордону «ріка-атмосфера» без урахування впливу грунтових вод і теплообміну з грунтами, а також внутрішніх джерел тепла.

Автор вдячний за допомогу в отриманні даних А.А. Попрядухин, С.А. Смирнову, А.М. Алабяном і С.М. Осколкова. Автор дуже вдячний Н.Л. Фролової за консультації та надання даних експедиції ІІЕТ РАН з обстеження р. Сухони.

1. Масштаби просторової і тимчасової мінливості температури води

Стан водних об'єктів в кожен момент часу описується сукупністю різних характеристик (Михайлов, Добровольський, Добролюбов, 2007). У їх число входить рівень, витрата, каламутність, мінералізація, біопродуктивність, температура води та інші характеристики. Закономірно повторювані їх зміни визначають гідрологічний режим водного об'єкта. Одним з важливих параметрів стану і режиму водного об'єкта є температура води. Вона характеризує багато особливості існування водних об'єктів на суші.

Зміна температури річкових вод впливає і на температуру морських вод. Це особливо важливо для великих сибірських річок, регулювання стоку деяких з них привело до істотної зміни температури річкових вод і теплового стоку в Карське море (ОДРів, 1983). Від температури води залежить розчинність газів, швидкість багатьох хімічних реакцій, життєдіяльність організмів, що має велике значення для оцінки процесів денудації, формування хімічного складу річкових вод, розвитку водних екосистем та зміни інтенсивності самоочищення водних об'єктів. Режим температури в чому визначає активність біоти: при переході температури води через 100С восени розвиток водної рослинності припиняється і починається її відмирання. Навесні на малих і середніх річках при нагріванні води до температур вище 100С починається активний розвиток водної рослинності. В залежності від температури води формуються фази льодового режиму річок, змінюється тривалість, товщина льоду, дати замерзання і розкриття й інші особливості льодового режиму річок.

Як і інші гідрофізичні характеристики водних об'єктів, температура ? володіє просторової мінливістю, тобто,

? = ? (x, y, z), (1.1)

де х, у, z - просторові координати. Сукупність значень скалярною характеристики ? утворює стаціонарне поле, яке описується функцією (1.1).

Якщо використовувати модель простору Ейнштейна, то можна говорити про стаціонарне чотиривимірному температурному полі, де четвертої змінної є час t. Це дозволяє більш повно характеризувати теплові особливості водних об'єктів. Однак у гідрологічної літературі зазвичай використовується інший підхід для характеристики зміни температури вздовж тимчасової осі. Для цього вводиться поняття теплового стану і термічного режиму. Тепловий стан водного об'єкта описується його температурним полем при t = const (в даний момент часу). Термічний режим річок це закономірні зміни теплового стану водотоків у часі (Михайлов, Добровольський, Добролюбов, 2007).

У кожен момент часу температуру води в даній точці водного об'єкта можна представити співвідношенням

, (1.2)

де- пульсації компонента, - середня місцева температура.

Період осреднения температури води може змінюватися в широких межах: секунда, хвилина, година, доба, декада, місяць, рік, кілька років. При виборі періоду осереднення керуються завданнями досліджень і технічними можливостями приладів. Так, час вимірювання температури води ртутним термометром - 5-8 хвилин (Карасьов, Васильєв, Суботіна, 1991). Це пов'язано з інерційністю приладу. При використанні більш швидкісних і сучасних приладів, період вимірювання температури може бути зменшений до секунд. Однак у цьому випадку велика ймовірність впливу пульсацій температури води на похибки визначення середньої температури води в даній точці потоку. З цієї причини найменший період осереднення не повинен перевищувати 100 сек. У цьому випадку можна отримати значення місцевої осредненной температури води вільний від впливу турбулентних пульсацій. Температура води при такому осреднении, називається осредненной місцевої температурою відповідно до рівняння.

Температура води, що враховує поглинання сонячної радіації і пульсаційні зміни, відчуває трендові коливання (рис. 1.1). Ці коливання температури води є частиною термічного режиму водотоків. Залежно від наявності в потоці постійно поновлюваних вихрових збурень, їх послідовного розпаду на більш дрібні вихори, знаходиться відхилення температури води від середнього значення. Трендова складова пояснюється наявністю добового ходу температури води. Оцінку пульсаційної складової можна виконати, побудувавши графіки різниці між температурою води і її лінійним трендом. З малюнка випливає, що її величина відчуває циклічні зміни, що не перевищують 0,45% від середньої температури води.

Внутрісуточних коливання температури визначаються добовим зміною співвідношення між прибутковими та видатковими складовими теплового балансу в період відкритого русла. В залежності від сезону величини добових температур різні. У період льодоставу добові коливання температури води відсутні. У період відкритого русла в добовому ході температур можна виділити фази: ранкового нагрівання, денного нагрівання, вечірнього охолодження, нічного охолодження.

У річному ході температури води у водоймах, виділяються 4 сезони (ОДРів, 1979): весняного нагрівання, річного нагрівання, осіннього охолодження, зимового охолодження. Принципи, закладені в основу цієї класифікації, не повністю відповідають температурним видатків. Наприклад, виділення сезону весняного нагрівання у водоймах обумовлено наявністю зворотного температурної стратифікації при температурі <40C в безледний період. У цей період відбувається інтенсивне конвекційне перемішування, закінчення якого, пов'язане з досягненням температури води 40С у всій товщі води, є закінченням сезону весняного нагрівання. У річках подібній ситуації немає.

Тим не менш, ця класифікація може бути застосована і для річок. Кожен сезон року відрізняється середньою величиною температури води та її сезонної варіацією. Літній нагрівання - період відносно високих і стійких температур. Зимове відносно стабільне низькотемпературне стан - період близьких до 00С температур в разі льодоставу або низьких і стійких температур в його відсутність. Для сезону весняного нагрівання характерне підвищення температур от0,20С до температури 100С, досягнення якої є умовою активного розвитку водної рослинності. У сезон осіннього охолодження характерно зниження від 100С до0,20С, коли вегетація рослин припиняється. Зміна температури води від сезону до сезону визначає внутригодовую мінливість температури води і залежить від кліматичних зональних чинників.

У річному термічному циклі річок зазвичай виділяють дві фази (посилання): вільного русла і льодоставу (рис. 1.4). Вони відрізняються по температурі і її мінливості. Під час льодоставу температура води коливається близько 00С, а при вільному стані русла температура води позитивна і змінюється в широких межах (від 0,20С до 10-250С залежно від особливостей географічного розташування басейну водотоку).

Використання місцевої температури води осредненной за деякий період часу не дозволяє достовірно оцінювати температуру, наприклад, середню по глибині або в поперечному перерізі потоку. Внаслідок цього потрібно також просторове осреднение температури води.

Зміна температури води з глибиною називається епюр розподілу температур. Середня температура води на вертикалі дорівнює площі епюри температур, поділеній на глибину вертикалі або інтегралу:

. (1.3)

Відмінності в середній температурі води між різними вертикалями обумовлюють поперечні градієнти температури і відмінності теплосодержания різних відсіків поперечного перерізу. У поперечному перерізі довільної форми, температура води у відсіках 1-2 і 3-4 відрізняється за величиною, внаслідок різної глибини річки, швидкості течії, інтенсивності прогрівання. Тому ці відсіки виконують відрізняються функції щодо перенесення тепла.

Для визначення середньої температури води в кожному відсіку, обчислюється площа епюри елементарних витрат тепла між суміжними вертикалями і ділиться на площу епюри елементарних витрат води між ними.

Середня температура в поперечному перерізі - віртуальна характеристика. Вона виходить розподілом витрат тепла на витрату води:

, (1.4)

де- витрата води через дане поперечний переріз ,, - елементарний витрата на i-й вертикалі, - середня температура на i-й вертикалі.

Відмінності температури води по довжині річок обумовлені особливим поєднанням факторів зміни теплосодержания водних мас. Крім зональних чинників, що впливають на величину ?, існують чинники регіонального та локального значення. До числа таких факторів відноситься, наприклад, впадання великих приток з температурою вод, що відрізняється від температури води в основний річці. Регіональне значення має фактор орографії, який визначає тип річок (гірські, полугорние і рівнинні) і вплив висотної кліматичної зональності. Наявність, наприклад, снігового покриву і льодовиків формує температурний режим гірських і частково полугорних річок.

Використання осредненной за різний час температури має смислове обмеження. Наприклад, величина ? в конкретній точці потоку за багаторічний період має неясний фізичний зміст. За кілька років морфологія русла річки в цьому створі може сильно змінитися, що впливає на глибину річки і розподіл ? по глибині потоку. Тому при осреднении місцевої температури представляється оптимальним, щоб найбільший період осереднення не перевищує 12 годин. З одного боку, це відповідає періодичності спостережень на гідрологічних постах (8:00 і 20:00). З іншого боку, це дозволяє оцінювати температуру водної маси, яка характеризує добове різноманітність поєднань чинників її теплового стану.

Для різних завдань потрібно різне просторове осреднение. Кожному масштабом просторового осереднення можна зіставити розумні масштаби тимчасового осреднения температури води. Просторове осреднение температури води має сенс здійснювати від конкретного горизонту водного потоку, до всієї довжини малих річок або беспріточних ділянок середніх і великих річок зазнають тепловий вплив конкретних синоптичних ситуацій. Для кожного виду просторового осереднення можна знайти відповідні мають фізичний зміст періоди тимчасового осреднения. Наприклад, найменший період осереднення температури води для всього басейну - декада. Для малих і середніх річок цей відрізок часу достатній для повного оновлення води в річці і реакції водної маси на відповідні зміни факторів теплового стану річок. З іншого боку, декада - це характерний час осреднения температур води в гідрологічних довідниках. Найбільший оптимальний період осереднення ? для басейнів малих і середніх річок є багаторічний період, оскільки він характеризує стік тепла. Для горизонту ж водного потоку цей період обмежений ? тривалості доби. Він дає уявлення про денному і нічному циклі змін місцевої температури води. Для інших масштабів просторової оцінки температури води існують особливі періоди тимчасового осреднения цієї гідрологічної характеристики (табл. 1.1).

Таким чином, для різних масштабів просторово-часової мінливості характерно особливе поєднання певних чинників, яке потрібно розглядати стосовно до конкретних природних умов та з урахуванням можливо впливу господарської діяльності.

Табл. 1.1 Оптимальні просторово-часові осреднения температури води для характеристики теплового стану і термічного режиму річок

 Просторові масштаби осреднения температури води Місцева миттєва температура Оптимальний інтервал осереднення температури

 12:00 Доба Декада місяць Сезон рік Багаторічний період

 Точка на вертикалі + + - - - - - -

 Вертикаль + + - - - - - -

 Відсік поперечного перерізу - + - - - - - -

 поперечний переріз русла - + + + + + - -

 Ділянка ріки - + + + + + + +

 Довжина малої річки - - + + + + + +

 ділянку середньої або великої ріки - - + + + + + +

2. Фактори формування термічного режиму річок

2.1 Зміна результуючої теплового балансу і температури води на ділянці річки

Зміна теплосодержания ?q, Дж, об'єму води V на ділянці річки визначається формулою:

?q = C???V, (2.1)

де С - теплоємність води, Дж / (кг ? 0С), ? - щільність води, кг / м3, - зміна температури води, 0С. З (2.1) випливає, що зміна температури води за деякий інтервал часу

. (2.2)

Вважаючи, що С, ?, V - постійні, можна сказати, що зміна температури води ? пропорційно зміні теплосодержания водної маси q. Якщо зміна теплосодержания ?q> 0, то зміна температури води > 0. У протилежному випадку <0, а ?q <0.

Зміна теплосодержания dq об'єму води V пов'язано з рівнянням теплового балансу для ділянки річки (рис. 2.1):

Qн- Qв = dQ = - dq, (2.3)

де Qв- кількість тепла, яке надходить на верхню межі ділянки річки (адвекція), Qн- кількість тепла, що йде через нижню межу, dQ - зміна потоку тепла, dq - зміна теплосодержания водної маси. Якщо dQ> 0 (пішов тепла більше, ніж приходить), то dq <0 - теплосодержание водної маси зменшується, а її температура ? знижується. У відповідності з рівнянням (2.2) при dQ <0 (тепла надходить більше, ніж пішов) dq> 0 - теплосодержание водної маси збільшується і, відповідно, підвищується температури води > 0. Таким чином, у розглянутій теплової системі величина dQ однозначно визначає зміну dq і .

Ділянки річок - відкриті системи і dQ = - dq0. Якщо рівняння (2.3) універсально, то рівняння, що розкриває причини виникнення (рівняння результуючої балансу тепла), відображає специфічні умови, що впливають на величину dQ і dq, тобто

dQ = - dq = А + В + С, (2.4)

де А, B, C - прибуткові та видаткові складові теплового балансу (Михайлов, Добровльскій, Добролюбов, 2007). З

Повний текст реферату

Пам'ятники архітектури
Версаль (Versailles) селище в 24 кілометрах від Парижа Версальський замок є одним з найбільш відомих пам'ятників культурної спадщини в світі. Відвідавши туристи, зможуть побувати в державній квартирі Людовіка XIV, Дзеркальному залі, квартирі в Королеві, в музеї хрестових походів, Зал битв,

Вірусні інфекції
Гострі респіраторні вірусні інфекції Гострі респіраторні вірусні інфекції - велика група захворювань, які дуже широко поширені. У цій групі виділяються аденовирусная, парагриппозная, риновирусная і сиицитиально-вірусна інфекції. У всіх випадках збуджувач передається від хворої людини легко

Раціональне живлення як компонент здорового образу життя
Зміст Введення 1. Основні функції живлення 2. Основні принципи раціонального живлення Висновок Введення Питання живлення стоять сьогодні в центрі уваги медицини. У всіх країнах постійно зростає інтерес до них самих різних верств населення, наукових працівників і державних органів. Забезпечення

Наїзд на пішохода при необмеженій видимості і оглядовості
Міністерство освіти і науки Республіки Казахстан Східно-казахстанський технічний університет ім. Д.М. Серікбаева Контрольна робота З дисципліни: "Транспортна логістика" Виконав студент Спец. 050901 Власкин В.В. Шифр 080922 Перевірив викладач: Вдовін В.Н. м Усть-Каменогорськ 2010 г

Війни Хмельницького
Реферат на тему: Війни Хмельницького Зборівська перемога Хмельницький мав надію, що з новим королем зможе вдержати добрі відносини й забезпечити те, що здобув для козаччини і для всієї України. Але між Україною та Польщею було так багато суперечностей, що

Життя і творчість В. Набокова
Зміст Введення 1. Життя і творчість Володимира Набокова 2. «Захист Лужина» (В. Набоков) і «Великий шолом» (Л. Андрєєв) 3. Емоційний стан Лужина під час гри Висновок Список літератури Введення Володимир Набоков залишив після себе, без перебільшення, величезна спадщина. Тільки російською мовою

Квантово-механічна теорія будови речовини
Тема КВАНТОВО-МЕХАНІЧНА ТЕОРІЯ БУДОВИ РЕЧОВИНИ Вступ Квантово-механічна теорія виникла на початку ХХ ст., коли було встановлено, що атом подільний, і за елементарні частинки було прийнято електрон і ядро. Зараз вважається, що межею поділу речовини є елементарні частки: електрони, протони,

© 2014-2022  8ref.com - українські реферати