Длинноволновое излучение воды в зависимости от температуры поверхности воды, Вт/м2

tп	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	290	295	300	305	309	313	318	323	327	332	337

И, наконец, зная температуру ( = = -7,0 °С) и влажность е₂' = е= 3,7 мбар) воздуха, а также (9 баллов) и (5 баллов) по формуле 4 определим третье слагаемое—поглощенное водой длинноволновое излучение атмосферы ( ).

Теплообмен водной поверхности с атмосферой рассчитаем по формуле:

, Вт/м² (14)

В эту формулу входит коэффициент К, зависящий от разности значений температуры воды и воздуха . При = 0,3 - (-7,0)= 7,3 °С коэффициент К=2,74. Подставив в фор­мулу значения входящих в нее величин, получим

Затраты тепла на испарение вычислим по формуле 8. Зна­чение = 5,96 мбар при =0,3⁰С . Зная влажность воздуха и скорость ветра, а также максимальную упругость водяного пара, определенную по темпе­ратуре поверхности воды и коэффициент К, находим .

Расчет расхода тепла на таяние твердых осадков производим по формуле 12.

Общий теплообмен водной поверхности водотока с атмосферой при наличии всех входящих в формулу 1 составляющих будет представлен их суммой. Знак минус означает потерю тепла. За сутки потеря тепла во­дотоком составит кДж/м².

Вопросы к лабораторной работе:

1. Из каких составляющих состоит уравнение теплового баланса?

2. Какая основная составляющая уравнения теплового баланса определяет нагревание или охлаждение водоема?

3. Влияет ли испарение с водной поверхности на тепловой баланс водоема?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. РАСЧЕТ ИСПАРЕНИЯ С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОТСУТСТВИИ НАБЛЮДЕНИЙ

Цель работы: расчет физических закономерностей формирования испарения и получение практических навыков.

Исходные данные:

1.План водохранилища в М 1:25000.

2.Повторяемость направлений ветра.

Направление ветра	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
Повторяемость, %	7	6	7	26	14	19	11	10

3.Метеорологические данные :

Месяц или период	tcp0C	t2' 0C	e2' мб	e0 мб
IV	2,0	5,4	5,6	7,6
V	12,7	15,8	11,6	15,7
VI	13,5	13,3	10,6	15,5
VII	18,1	18,4	14,9	20,8
VIII	18,7	17,2	15,2	21,6
IX	15,1	12,8	11,4	17,2
X	8,7	5,8	8,5	11,2

4. Защищенность водоема и метеостанции выдается индивидуально.

5. Скорость ветра по наблюдениям на ближайшей метеостанции:

Месяц или период	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
uф, м/с	2,4	2,6	2,7	2,4	1,8	3,0	3,5

Порядок выполнения работы:

Испарение с различных объектов является одной из основ­ных составляющих водного баланса. В отличие от двух других главных составляющих водного баланса — атмосфер­ных осадков и речного стока, по которым имеются относительно многочисленные по территории и длительные во времени ряды наблюдений, по испарению таковых рядов нет, а имеющиеся ряды наблюдений малочисленны и характеризуются небольшой длительностью. В связи с этим большое значение приобретает методика изучения и расчета испарения, необходимого для оценки и изменений водного баланса и водных ресурсов страны, отдельных регионов, вплоть до проектирования и эксплуатации систем осушения и орошения, расчетов запаса влаги в почво-грунтах и т. д.

Испарение происходит с различных поверхностей: воды, снега, почв, различных видов растительности и зависит от боль­шого числа факторов. Главными факторами испарения с по­верхности воды и снега являются дефицит влажности воздуха, рассчитанный по температуре испаряющей поверхности, и сте­пень турбулентного перемешивания воздуха, обычно опреде­ляемая скоростью ветра и температурной стратификацией атмосферы.

Главными факторами испарения с почв также являются дефицит влажности воздуха, рассчитанный по температуре испаряющей поверхности, скорость ветра и влажность верхних слоев почвы.

Суммарное испарение с поверхности суши, в которое входит транспирация, испарение с почвы и испарение воды, задержан­ной стеблями и листьями растений, носит еще более сложный характер и зависит от большого числа факторов, главными из которых тем не менее остаются дефицит влажности воздуха, рассчитанный по температуре испаряющей поверхности, и сте­пень турбулентного перемешивания воздуха, влажность почвы и вид растительности. Поэтому расчетные методы и формулы испарения с разных видов испаряющей поверхности различны и излагаются ниже в соответствии с «Указаниями по рас­чету испарения с поверхности водоемов» (1969 г.) и «Реко­мендациями по расчету испарения с поверхности суши» (1976г.).

Расчет испарения с поверхности водоемов производится по следующей формуле:

) ,мм (15)

где - среднее значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре воды в водоеме, мбар (таблица 3);

- среднее значение упругости водяного пара (абсолютная влажность воздуха) над водоемом на высоте 2м, мбар;

- средняя скорость ветра над водоемом на высоте 2м, м/с;

- число дней в расчетном интервале времени, за который принимается месяц, а в начале и конце безледоставного периода - соответствующее число суток от даты вскрытия до конца данного месяца и от начала последнего месяца безледоставного периода до даты замерзания водоема.

Максимальная упругость водяного пара, абсолютная влаж­ность воздуха и скорость ветра над водоемом рассчитываются по материалам наблюдений на ближайших от водоема метео­рологических станциях, расположенных на суше.

Обычно метеорологические наблюдения отсутствуют на малых (с площадью зеркала до 5 км²) и реже средних (с пло­щадью зеркала от 5 до 40 км²) водоемах. В этих случаях для расчета метеорологических элементов над водоемом исполь­зуются данные двух-трех метеорологических станций, распо­ложенных на суше, вблизи водоема. Одна из этих станций при­нимается в качестве опорной, а остальные считаются контроль­ными и выбираются таким образом, чтобы они отличались от опорной по степени их защищенности. За опорную принимают станцию с наиболее длинным рядом наблюдений, местополо­жение, защищенность и тип флюгера которой не менялись в течение расчетного периода (не менее 15—20 лет).

Скорость ветра над водоемом значительно больше, чем над сушей, вследствие меньшей шероховатости водной поверх­ности по сравнению с поверхностью суши. Шероховатость под­стилающей поверхности суши изменяется по географическим зонам, достигая наибольших значений в лесной зоне.

При расчете скорости ветра над водоемом необходимо учитывать различия в шероховатости подстилающей поверх­ности в тех или иных географических зонах и степени защи­щенности метеорологических станций, расположенных на суше, по сравнению с открытой водной поверхностью.

Эти различия учитываются с помощью поправочных коэф­фициентов.

Поправочные коэффициенты учитывают также уменьшение скорости ветра в связи с приведением их значений от высоты флюгера к высоте 2 м и увеличение скорости ветра с увеличе­нием длины разгона воздушного потока над водоемом. Средняя скорость ветра над водоемом на высоте 2 м (м/с) опреде­ляется по формуле 9.

Средняя длина разгона воздушного потока определяется по формуле 6.

Для водоемов с отношением его длины к ширине меньше 2 : 1 при определении допускается построение только одной системы прямоугольных сеток из параллельных профилей. Расстояние между профилями выбирается равным и с таким расчетом, чтобы они пересекали участки водоема с характер­ными для него сужениями и расши-рениями.

Полученные значения скорости ветра над водоемом по дан­ным опорной метеорологической станции контролируются ана­логичными расчетами скорости ветра по другим метеорологическим станциям за годы параллельных наблюдений. Расхож­дения в полученных средних месячных значениях скорости ветра не должны превышать 25 %. При больших расхождениях выбирается другая опорная метеорологическая станция.

Рассчитанная скорость ветра над водоемом, заросшим не менее чем на 25—30 % высшей водной растительностью (трост­ник, камыш, рогоз и др.), уменьшается на 15 %.

Максимальная упругость водяного пара определяется по средней температуре поверхности воды .

Средняя температура поверхности воды рассматриваемого водоема при отсутствии наблюдений на нем принимается по данным наблюдений на водоеме-аналоге с близкими условиями водного питания и морфометрическими характеристиками. При отсутствии водоема-аналога температура поверхности воды вы­числяется с помощью уравнения теплового баланса поверхности воды, методика определения которой здесь не изложена. В этом случае она задается индивидуально.

Средняя по акватории абсолютная влаж­ность воздуха над водоемом на высоте 2 м рассчиты­вается по формуле 5.

Результаты расчетов оформляем в форме таблицы 12.

Таблица 12

Месяц или период	tср –t\2	0.8 e0	М	(0.8 e0-e /2) М	e2	0.14 n	e0	e0 - e2	U2	0.72 U2	Е, мм
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X

Вопросы к лабораторной работе:

1. Какими факторами определяется испарение с водной поверхности?

2. Как влияет скорость ветра на испарение с водной поверхности?

3. Как влияет защищенность водоема на испарение с водной поверхности?

4. В чем проявляются различия в данных наблюдений на суше и водной поверхности?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ПО УРАВНЕНИЮ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Цель работы: изучение физических закономерностей формирования температуры воды водоемов.

Занятие 1. Расчитать температуру поверхности воды водохранилища за безледоставный период.

Исходные данные:

1. Широта центра водохранилища 58°; средняя глубина водохранилища h=5,0 м;

2. В районе будущего водохранилища имеется метеостанция с многолетним рядом наблюдений за метео­рологическими элементами (таблица 13).

Таблица 13

Средние многолетние значения метеорологических элементов по опорной метеостанции
Метеорологический элемент	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI
Температура воздуха °С Абсолютная влажность	11,2	12,7	16,6	18,8	17,0	11,2	4,5	-2,1
Абсолютная влажность воздуха мбар	6,4	9,9	12,9	15,2	13,5	10,0	7,2	5,2
Направление ветра и число случаев, %: - северный - восточный - южный -западный	38 35 14 13	22 30 25 23	32 17 20 31	33 23 14 30	28 23 22 27	23 12 29 36	14 9 39 38	23 29 26 22
Облачность, баллы: - общая - нижняя	5 2	6 3	7 6	5 3	5 3	6 4	7 6	8 7