Расчет изменения температуры воды по глубине в Онежском озере за июль 1983 г.

Расчет изменения температуры воды по глубине в Онежском озере за июль 1983 г.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему:

"Расчет изменения температуры воды по глубине в Онежском озере за июль 1983 г."

Содержание

Введение

. Физико-географическое описание объекта

. Существующие методы расчета.

. Данные наблюдений

. Результаты расчетов

Заключение

Список литературы

Введение

Термический режим водоема определяется климатическими особенностями региона, в котором он расположен: географическим положением, глубиной, особенностью циркулирования водных масс и многими другими факторами. Перераспределение тепла в водной массе зависит от морфометрических характеристик водоема, и прежде всего - от площади и глубины. В свою очередь, термический режим озер в значительной мере определяет развитие физических, химических и биологических процессов в водоемах. На экологическое состояние озер большое влияние оказывают изменения температуры воды, они сказываются, прежде всего, на биопродуктивности водоема. Повышенные значения температуры воды способствуют развитию процессов эвтрофирования и зарастания озер, увеличению кормовой базы рыб и т.д., наоборот, понижение температуры приводит к снижению биопродуктивности озер.

Поступление тепла в водоем зависит главным образом от проникновения солнечной радиацией и от контакта с менее нагретой атмосферой. Известную роль играет тепло выпадающих осадков. В последние годы тепловой режим многих водоемов претерпевает существенные изменения под влиянием поступления в них подогретых вод из охлаждающих контуров тепловых и атомных станций. Температурный водный баланс безусловно зависит от времени года.

Термический режим озер обусловлен приходом и расходом тепла во времени и распределением его в водной массе и котловине. Основным источником прихода тепла в озера является солнечная радиация. Наиболее интенсивно поглощает солнечную радиацию поверхностный слой воды. Опыт показывает, что в озерах с прозрачной водой в слое воды 25 см поглощается 43-59%, а в озерах с повышенной мутностью - 30-80% падающей радиации. Поэтому, если бы вода в озерах была неподвижной, то нагрев ее происходил бы лишь в самом верхнем слое, проникновение тепла в глубины из-за очень малой теплопроводности воды осуществлялось бы в ничтожных размерах. Но благодаря движению водных масс в озерах активно осуществляется обмен теплом между различными слоями воды по вертикали. В связи с этим суточные колебания температур в озерах прослеживаются на глубине нескольких метров, а годовые обычно захватывают всю водную толщу.

Перенос тепла в глубины озера, а, следовательно, и термический режим глубин, связаны с двумя видами перемешивания вод: конвективным - вертикальным обменом частиц воды, связанным с разностью плотностей этих частиц, и фрикционным, возникающим в результате движения водных масс, вызванного, главным образом, ветром.

Температурные условия существенно влияют на испарение и ледовый режим рек, озер, водохранилищ. Знание термического режима необходимо для выбора варианта строительства каналов, рациональной глубины заложения водоприемников ГЭС в связи с необходимостью регулирования ледовых условий в нижнем бьефе и для решения многих других инженерных задач.

. Физико-географическое описание объекта

Общие сведения. Онежское озеро - озеро <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%BE> на северо-западе Европейской части Российской Федерации <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%8F>, расположено на территории Карелии <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D1%81%D0%BF%D1%83%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%9A%D0%B0%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D1%8F>, Ленинградской <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%B4%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%8C> и Вологодской <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%BE%D0%B4%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%8C> областей. Второе по величине озеро в Европе <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%B2%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%B0> после Ладожского <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B4%D0%BE%D0%B6%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D0%BE%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%BE>. Относится к бассейну Балтийского моря <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B0%D0%BB%D1%82%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D0%BC%D0%BE%D1%80%D0%B5> Атлантического океана <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%82%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BE%D0%BA%D0%B5%D0%B0%D0%BD>. Площадь озера без островов составляет 9690 км², а с островами - 9720 км²; объём водной массы - 285 км³; длина с юга на север - 245 км, наибольшая ширина - 91,6 км. Средняя глубина - 30 м, а максимальная - 127 м. На берегах Онежского озера расположены города Петрозаводск <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B7%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%81%D0%BA>, Кондопога <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D0%B3%D0%B0> и Медвежьегорск <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D0%B4%D0%B2%D0%B5%D0%B6%D1%8C%D0%B5%D0%B3%D0%BE%D1%80%D1%81%D0%BA>. В Онежское озеро впадают 58 рек, а вытекает только одна - Свирь <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B8%D1%80%D1%8C_%28%D1%80%D0%B5%D0%BA%D0%B0%29>. Онежское озеро в полтора раза превосходит самое большое западноевропейское озеро - Венер и в 18 раз - Женевское. Озеро лежит между параллелями северной широты 60°53' и 62°55' и меридианами восточной долготы 34°14' и 36°30'.

Приходная часть водного баланса Онежского озера обусловливается впадающими в него реками (74 %) и атмосферными осадками (26 %), расходная часть - стоком по реке Свирь (84 %) и испарениями с водной поверхности (16 %).

Онежское озеро, являясь узловым звеном единой глубоководной системы европейской части России, соединяющей Балтийское, Белое, Черное и Азовское моря, имеет большое значение как для внутренних водных перевозок, так и для внешних. Река Вытегра, впадающая в южную часть Онежского озера и спрямленная в нижнем течении Вытегорским каналом, является частью Волго-Балтийского водного пути. Вдоль южного берега озера между реками Свирь и Вытегра сооружен Онежский обводный канал, предназначенный для плавания малых речных судов при свежих ветрах без выхода в Онежское озеро. На северном берегу Онежского озера в Повенецкой губе расположен вход в Беломорско-Балтийский канал.

Берега. Характер берегов Онежского озера весьма разнообразен. Берега юго-восточной части озера преимущественно низкие, песчаные, поросшие смешанным лесом. Восточный берег озера главным образом низкий, а западный - высокий; эти берега сильно изрезаны и покрыты смешанным лесом. Берега северной и северо-западной частей Онежского озера высокие, скалистые; они сложены из гранита или гнейса, поросли смешанным лесом и почти всюду окаймлены пляжем, загроможденным крупными валунами. В глубь материка местность постепенно поднимается к холмам, высота которых достигает 120 м. Эти холмы на Онежском озере называются горами. (Приложение № 3, № 4)

Изрезанность берегов Онежского озера неодинакова. В его южной части берега изрезаны слабо; здесь имеется относительно крупная Свирская губа и несколько губ и бухт, неглубоко вдающихся в западный берег озера. Берега северной части озера сильно изрезаны и образуют несколько обширных заливов и множество губ и бухт. Наиболее важными из них являются заливы Малое Онего, Заонежский и Повенецкий, по которым проходит путь, ведущий к Беломорско-Балтийскому каналу и к порту Медвежьегорск. Западнее этих заливов находятся залив Большое Онего и наиболее крупные из губ Онежского озера - Уницкая, Большая Лижемская и Кондопожская. В северо-западной части озера расположены Петрозаводская губа и порт Петрозаводск. Из Онежского озера вытекает река Свирь, сток по которой регулируется двумя гидроузлами. Река Свирь судоходна на всем протяжении. В Онежское озеро впадает 58 рек, из которых наиболее крупными являются реки Вытегра, Водла и Андома.

Глубины, рельеф дна и грунт. Дно в южной и средней частях Онежского озера довольно ровное. Глубины в озере постепенно увеличиваются с юга на север и посредине озера составляют 50-60 м. Примерно в 16 милях юго-восточнее входа в Петрозаводскую губу находится впадина, глубины в которой около 100 м. Берега озера в основном приглубы; изобата 10 м проходит в 2-3 милях от берега. Исключение составляют районы Свирской губы и акватории, прилегающей к устью реки Водла; изобата 10 м проходит здесь в расстоянии до 5 миль от берега.

В заливах и губах северной части озера дно очень неровное; наряду с большими глубинами здесь имеются банки и скалы. Неровное дно также в заливах Малое Онего, Заонежский и Повенецкий. Берега заливов, как правило, отмелые и окаймлены широкой полосой островов, островков, подводных и надводных камней. Грунт в Онежском озере весьма разнообразный: в центральной части - серо-зеленый ил; у южного и восточного берегов - песок и песок с галькой; у юго-западного берега, а также в заливах и губах северной части озера - ил, глина, песок и местами камень.

Метеорологическая характеристика. Онежское озеро расположено в умеренной климатической зоне. Климат здесь является переходным от морского к континентальному. Для него характерны большие колебания температуры воздуха в течение года и из года в год, а также значительные облачность и влажность воздуха и умеренное количество осадков.

Климат описываемого района формируется главным образом под влиянием общей циркуляции атмосферы, обусловливающей поступление с запада, с Атлантического океана относительно теплого и влажного морского воздуха умеренных широт зимой и прохладного - летом. Это является главной причиной умеренно холодной зимы и прохладного лета. Зимой и в переходные сезоны года в район Онежского озера с севера и северо-востока нередко вторгаются арктические воздушные массы, вызывая сухую ясную погоду и значительное похолодание. Тропические воздушные массы поступают нечасто и только летом, резко повышая температуру воздуха.

Первая половина зимы в данном районе сравнительно мягкая; погода пасмурная и ветреная, часты осадки и оттепели. Вторая половина зимы значительно холоднее первой, нередки метели.

Весной, особенно в первой ее половине, сравнительно теплая погода чередуется с похолоданиями, возможны заморозки и выпадение снега; в это время нередки туманы.

Лето прохладное; увеличивается число ясных дней и повторяемость гроз, а во второй половине лета - количество осадков; уменьшается скорость ветра. При вторжениях холодных арктических воздушных масс даже в июле возможны заморозки.

Осень относительно теплая; преобладает пасмурная погода с обложными дождями или мокрым снегом; увеличиваются число дней с туманами и скорость ветра.

Температура и влажность воздуха. В самые холодные месяцы года (январь и февраль) средняя месячная температура воздуха в описываемом районе составляет -9... 13 °С.

Первые морозы в большей части района отмечаются в сентябре, а последние - в конце мая - начале июня. В холодный период в любой из месяцев возможны оттепели, связанные с вторжением теплого и влажного воздуха с Атлантического океана. Абсолютный минимум температуры -45 °С (поселок Вознесенье, январь; порт Медвежьегорск, февраль). Самым теплым месяцем года является июль, когда средняя месячная температура воздуха составляет 15-17 °С. Абсолютный максимум температуры 35 °С (порт Медвежьегорск, июль). Суточные колебания температуры воздуха наибольшие (8-12 °С) летом, наименьшие (4-6 °С) осенью. Минимум в суточном ходе отмечается утром, а максимум - после полудня.

Относительная влажность воздуха на Онежском озере и острове Василисин составляет в течение всего года в среднем 80-85 %, на побережье с апреля по июль 65-75 %, а с августа по март 80-90 %.

Суточные колебания относительной влажности воздуха осенью и зимой не превышают 10 %, а весной и летом достигают 15-25 %. Наибольшая относительная влажность наблюдается утром, а наименьшая после полудня.

Ветры. В большей части описываемого района в течение всего года преобладают ветры от SE, SW и S; повторяемость каждого из направлений достигает в отдельные месяцы соответственно 40, 25 и 22 %. Из ветров других направлений нередки ветры от N и NW (соответственно до 20 и 25 %). В районе поселка Вознесенье и города Петрозаводск весь год господствуют ветры от W и SW, суммарная повторяемость которых составляет в среднем 25-50 %.

Средняя месячная скорость ветра 3-6 м/с, на побережье она местами уменьшается до 2 м/с, а на острове Василисин зимой увеличивается до 9 м/с. Повторяемость штилей изменяется в широких пределах: от 1 до 15 %, местами на побережье она достигает 20% и более. Ветры со скоростью 15 м/с и более на озере нечасты, повторяемость их не превышает 10 %. На побережье среднее месячное число дней с таким ветром не более 2, а на острове Василисин зимой оно составляет 7-11. Штормовые ветры наблюдаются в основном с сентября по март, с апреля по август они бывают не каждый год. Зимой скорость ветра может достигать 20-24 м/с. Штормовые ветры чаще всего бывают от SW; максимальная продолжительность их (до 15 сут) отмечается в сентябре- ноябре.

Бризы достигают наибольшего развития летом. Как правило, они возникают в тихие солнечные дни и ясные ночи. Озерный бриз сильнее берегового; он распространяется в сторону суши на 15-20 км. Средняя скорость озерного бриза 4-6 м/с.

Туманы. На побережье отмечается в среднем за год 25-35 дней с туманами. В отдельные годы их бывает значительно больше. Среднее месячное число дней с туманами на побережье составляет 1-4, а на острове Василисин в мае-июне достигает 6. Чаще всего туманы отмечаются весной и осенью.

В описываемом районе наблюдаются адвективные и радиационные туманы. Они, как правило, образуются в ночные и утренние часы, а днем рассеиваются, но иногда удерживаются более суток. Туманы затрудняют вход в шхеры, бухты и устья рек.

Зимой над незамерзающими частями озера обычно в безветренную погоду образуются туманы испарения (парение озера). Продолжительность туманов летом преимущественно 4-10 ч, в остальное время она составляет 12 ч и более.

Облачность и осадки. Средняя месячная облачность в описываемом районе составляет с сентября-октября по февраль 7-9 баллов, а с марта по август-сентябрь 5-7 баллов.

Среднее годовое число пасмурных дней (облачность 8-10 баллов) составляет 175-200; среднее месячное число таких дней с марта по август-сентябрь изменяется от 10 до 14, а с октября по февраль - от 20 до 24. Среднее годовое число ясных дней (облачность 0-2 балла) 19-29; среднее месячное число таких дней с марта по август составляет 2-4, а с сентября по февраль не превышает 2.

Осенью и зимой преобладают слоистые облака, а весной и летом, особенно над побережьем, часто наблюдаются кучевые облака. Наибольшее количество кучевых облаков отмечается в послеполуденные часы, а меньше всего их бывает утром.

Годовое количество осадков на побережье составляет в среднем 585-680 мм. Больше всего осадков выпадает с июня по сентябрь-октябрь, когда среднее месячное количество их в большинстве пунктов составляет 60-90 мм. Меньше всего осадков отмечается с февраля по апрель, когда среднее месячное количество их не превышает 40 мм. Максимальное количество осадков за сутки 76 мм (поселок Вознесенье, июль).

Чаще всего осадки выпадают с сентября по январь-февраль, когда среднее месячное число дней с ними колеблется от 16 до 24. С марта по август отмечается от 11 до 16 дней с осадками в среднем за месяц. Летом преобладают ливневые осадки, а зимой - обложные. Наибольшая повторяемость ливней наблюдается в июле.

Первый снег выпадает преимущественно в октябре, а последний - обычно в мае. Устойчивый снежный покров на побережье Онежского озера образуется в основном в конце ноября, а окончательный сход его отмечается в среднем во второй половине апреля. Наибольшая высота снежного покрова (до 1 м) наблюдается в середине марта.

Особые метеорологические явления. Грозы в районе Онежского озера наблюдаются нечасто. Число дней с ними колеблется от 15 до 22 в среднем за год. Грозы отмечаются обычно с мая по сентябрь, когда среднее месячное число дней с ними изменяется от 1 до 8, причем больше всего таких дней бывает с июня по август.

Град - очень редкое явление в описываемом районе. Выпадение града возможно с апреля по октябрь, но наиболее вероятно в мае-июне.

Метели наблюдаются довольно часто. Число дней с ними изменяется от 24 до 44 в среднем за год, а на острове Василисин достигает 56. Метели отмечаются с октября по май, но наиболее часты с декабря по март, когда среднее месячное число дней с ними составляет 5-12 (на острове Василисин до 15). Чаще всего метели бывают при ветрах от S и SW. Зимой они могут продолжаться до 2 суток.

Рефракция и миражи на Онежском озере наблюдаются преимущественно летом, особенно часто - в июне-июле.

Гидрологическая характеристика. Гидрологический режим Онежского озера характеризуется небольшой величиной колебаний уровня в течение года, преобладанием ветровых течений и продолжительным ледовым периодом.

Колебания уровня в Онежском озере зависят главным образом от количества выпавших осадков и сгонно-нагонных явлений. Обычно после снежных зим уровень воды весной повышается на 1 м, а после малоснежных зим - не более чем на 0,2 м относительно среднего многолетнего уровня. Уровень воды начинает повышаться преимущественно во второй половине апреля - начале мая и достигает максимума в июле-августе. Затем уровень постепенно понижается, и в первой половине апреля наблюдается его годовой минимум.

После строительства Верхнесвирской ГЭС дата наступления наивысшего уровня отодвинулась примерно на 15 суток позднее от естественной даты; величина колебаний уровня в среднем за год составляет около 0,7 м. Абсолютная максимальная величина колебаний уровня 1,9 м. Сгонно-нагонные колебания уровня хорошо развиты осенью при северных или южных ветрах, особенно на мелководных участках. При ветре определенного направления в одной части озера уровень может повыситься, а в другой - понизиться. Так, например, ветры от S и SE в южной части озера вызывают сгон воды на 0,1-0,2 м, а в северной части - нагон на 0,4 м относительно среднего многолетнего уровня. Сгонно-нагонные колебания уровня особенно хорошо выражены в Повенецком заливе, где отмечаются сгоны и нагоны на 0,7 м относительно среднего многолетнего уровня. Продолжительность стонов и нагонов изменяется от 10 до 60 ч. На Онежском озере наблюдаются сейшевые колебания уровня с периодом от 1 до 13 ч, а в заливах и бухтах - с периодом 20-30 мин.

Течения в Онежском озере зависят главным образом от ветров.

Ветровые течения хорошо выражены осенью и в начале зимы. При сильных южных ветрах наблюдаются течения, средняя скорость которых около 0,6 уз; наибольшая скорость ветровых течений вблизи западного берега озера.

Стоковые течения отмечаются в узкой прибрежной зоне; особенно заметны они в период половодий.

Плотностные течения возникают весной, когда вода в прибрежных районах прогревается, а в центральной части озера остается еще холодной (разность температур достигает 12 °С). Более теплая вода из прибрежной зоны устремляется к середине озера и создает вокруг центральной части круговое течение, направленное против часовой стрелки. Скорость этого течения в среднем до 0,3 уз; наибольшая скорость наблюдается вдоль западного берега озера и в заливе Большое Онего. Весной и в первой половине лета плотностные течения являются преобладающими и осуществляют основной водообмен в озере. Осенью эти течения слабее, чем весной.

Волнение. На Онежском озере сильное волнение чаще всего отмечается осенью. В южной, более мелководной части озера наблюдаются преимущественно короткие крутые волны. Наибольшая высота волн (около 3,5 м) отмечается здесь при ветрах от W, NW и N со скоростью более 17 м/с. В центральной части озера и в заливах Большое Онего и Малое Онего наблюдаются более пологие волны длиной около 20-30 м. Наибольшая высота волн (3-4 м) отмечается при ветрах от SE и S со скоростью 17-21 м/с, а в центральной части, кроме того, при штормовых ветрах от NW и N. Период волн преимущественно 1-3 с.

Вблизи берегов, особенно скалистых, бывает сильный прибой. Наиболее сильный прибой отмечается в юго-западной части озера при ветрах от N и NW. При ветрах от S и SE значительный прибой наблюдается в районе залива Малое Онего и острова Василисин.

Температура воды. Температура поверхностного слоя Онежского озера в мае-июне в мелководной прибрежной полосе составляет 5-11 °С. В августе в открытой части озера она достигает максимума (17 °С). С сентября по ноябрь средняя месячная температура воды в описываемом районе понижается от 12 до 2 °С.

Прозрачность и цвет воды. Условная прозрачность воды колеблется от 1 до 9 м, причем наибольшая прозрачность (7-9 м) отмечается в центральной части озера, а также в заливах Большое Онего и Малое Онего. В узкой прибрежной полосе южной части озера условная прозрачность воды довольно изменчива и в значительной мере зависит от направления ветра. При южных ветрах она составляет 1 м, а при северных ветрах благодаря нагону воды из открытой части озера увеличивается до 3 м, иногда и более.

Цвет воды в центральной части озера обычно зеленовато-желтый, у побережья коричневато-желтый, а у устьев рек желтовато-коричневый. В губах цвет воды различный. Например, в Уницкой губе он желтовато-зеленый.

Ледовый режим. Ледяной покров в различных частях озера устанавливается в разное время. Процесс льдообразования происходит от берега к центральной части озера.

Первый лед появляется в северной части озера на мелководьях обычно в начале ноября, а в южной части озера - во второй половине ноября. Окончательно ледяной покров в северной части озера на мелководьях устанавливается в конце ноября - начале декабря, а на более глубоководных участках (36-50 м) - в середине декабря. В конце декабря заметно увеличивается ширина полосы неподвижного льда в южной части озера, покрываются льдом северная часть залива Большое Онего, южная часть залива Малое Онего и центральная часть Большой губы Повенецкого залива. Полное замерзание центральной части озера происходит в январе, иногда в феврале, а наибольшей толщины лед достигает в конце марта.

При сильных ветрах, особенно в мягкие зимы, лед в центральной части озера временами взламывается и относится ветром, поэтому даже в феврале могут встречаться значительные пространства чистой воды. Ширина разводий иногда составляет несколько километров.

Вскрытие Онежского озера происходит в основном с юга на север. Процесс разрушения льда начинается в конце апреля в южной части озера, затем он постепенно распространяется на север, достигая в начале мая параллели мыса Бесов Нос. В середине мая вскрываются губы в северной части озера. Разность в сроках вскрытия северной и южной частей озера 12 суток, иногда 20-25 суток.

Очищение озера ото льда происходит в несколько иной последовательности. Обычно к середине мая очищаются шхерный район, Петрозаводская губа и широкая полоса озера вдоль всего западного берега, во второй половине мая - остальная часть озера. В отдельные годы, когда зима и весна более холодные, даже у южного берега озера лед может наблюдаться в первых числах июня; когда весна более теплая, озеро очищается ото льда в конце апреля. Озеро свободно ото льда в среднем 180-195 дней. Навигация начинается обычно во второй половине мая, а заканчивается во второй половине ноября.

. Существующие методы расчета

После того, как установлена цель, дана физическая и полная математическая формулировка задачи, следует выбрать метод ее решения. Такова первоначальная последовательность работы; но необходимо иметь в виду, что существует и обратная связь - выбор метода может побудить несколько изменить формулировку задачи в сторону уточнения или, наоборот, огрубления схемы исследуемого природного явления или технического процесса.

а) аналитический;

б) аналогий;

в) конечных разностей;

Всякая задача имеет лишь одно решение, но форма решения может быть различной. Во всех случаях решение должно удовлетворять уравнению теплового баланса и краевым условиям.

Ниже даются краткие данные о сущности, достоинствах и недостатках и о возможных областях применения каждого метода.

Аналитический метод. Аналитический метод состоит в том, что, пользуясь полной математической формулировкой задачи, находят аналитическое решение. Обычно следует находить уже готовое решение, а не новое. При отсутствии готового решения целесообразно попытаться найти его решение в виде суммы (комбинации) имеющихся решений, пользуясь известным принципом суперпозиции.

Достоинства. Решение является точным - точность расчетов зависит лишь от точности закладываемых исходных данных и точности производимых вычислений. Удобство анализа - возможность представления в безразмерной форме и часто в виде расчетных графиков. Использование ЭВМ. Возможность вычисления температуры для любой точки тела и для любого момента времени без необходимости предварительного расчета для предшествующих моментов.

Недостатки. Ограниченность круга задач, для которых могут быть получены решения.

Метод аналогий. Метод аналогий состоит в том, что решение тепловой задачи заменяют решением задачи другой физической (материальной) сущности, в которой уравнения баланса и все УО совпадают, хотя размерности различны. Это последнее различие при желании может быть всегда исключено приведением всех данных к безразмерному виду. Обычно указывают, что метод аналогий есть метод экспериментальный. Следует подчеркнуть, что такое ограничение неточно ориентирует; напротив, следует, прежде чем ставить эксперимент, попытаться найти решение другим, особенно аналитическим путем, но отыскивая уже имеющееся решение для аналога.

Известно множество различных физических процессов (тепловые, гидравлические и электрические), объединяемых общностью законов, которыми они управляются. Высокая степень разработанности теории и техники электричества делают метод электротепловых аналогий особенно плодотворным.

Метод конечных разностей. Метод состоит в том, что в уравнении теплового баланса, которое подлежит решить, все бесконечно малые разности (дифференциалы) заменяются конечными, но малыми разностными величинами.

Достоинства. Возможность решить весьма сложные задачи, в том числе с телами сложной фигуры, с переменными ГУ и теплофизическими характеристиками, с изменением агрегатного состояния. Использование ЭВМ.

конкретной задачи.

За основное расчетное уравнение берется уравнение теплопроводности Фурье, которое имеет вид:

Анализ натурных данных показывает, что скорости течения настолько малы, что из уравнения можно исключить - , тогда уравнение принимает вид:

Коэффициент температуропроводности воды не меняется по глубине и рассчитывается из уравнения теплопроводности в ином виде:

онежский озеро тепловой глубина

Далее выбирается общий расчетный период времени, интервал глубины △z, и по условию Шмидта  = 1 , рассчитывается промежуток времени △ῖ , через который производится расчет температуры воды, затем выполняется расчет температур по уравнению:

При отсутствии ледового покрова граничное условие выражается уравнением теплового баланса для поверхности воды:

Результирующий тепловой поток. проходящий через открытую водную поверхность, можно определить по уравнению теплового баланса:

 ,

где

встречное длинноволновое излучение атмосферы;  потери тепла водой путем длинноволнового излучения;  тепло, теряемое водой при испарении;  конвективный теплообмен между водоемом и атмосферой.

Поглощенная водой суммарная солнечная радиация рассчитывается по формуле А.П.Браславского и З.А. Викулиной:

 суммарная радиация на уровне моря;  коэффициент, учитывающий отклонения значений влажности воздуха от ее среднеширотного значения;  коэффициент, учитывающий влияние высоты данного пункта над уровнем моря;  относительная плотность облачного покрова;  коэффициенты, учитывающие непропускание суммарной солнечной радиации облаками нижнего уровня и совместно среднего и верхнего ярусов;  общая и нижняя облачность;  среднее суточное альбедо водной поверхности;  коэффициент, характеризующий долю повторно отраженной облаками в направлении к поверхности воды коротковолновой радиации, определяемый по формуле:

Поглощенное водой длинноволновое излучение атмосферы рассчитывается по формуле А.П. Браславского:

, где

 постоянная Стефана-Больцмана;  температура воздуха над поверхностью воды на высоте 2 м;  коэффициенты, характеризующие влияние облачности на встречное излучение атмосферы, определяются по таблицам.

Средняя температура воздуха над поверхностью воды на высоте 2 м рассчитывается следующим образом:

 , где

 температура воздуха по нашим данным;  температура поверхности воды;  коэффициент трансформации, учитывающий среднее изменение влажности и температуры воздуха над водной поверхностью, определяется по таблице в зависимости от средней длины разгона воздушного потока:

 средняя длина разгона по соответствующему направлению профиля, в км;  сумма повторяемости направлений ветра для двух взаимно противоположных румбов, в %. (Приложение № 1)

Потеря тепла водой путем длинноволнового излучения находится по формуле:

 , где

Тепло, теряемое водой при испарении можно рассчитать по формуле А.П. Браславского, С.Н. Нургалиева:

 максимальная упругость водяного пара;  упругость водяного пара воздуха на высоте 2 м над водоемом;  скорость ветра на высоте 2м над водоемом;  функция, учитывающая изменение интенсивности испарения за счет разности значений температуры воды и воздуха, определяется по таблице.

 средняя за расчетный период времени абсолютная влажность воздуха.

 коэффициенты, определяемые по таблицам; U - скорость ветра.

Конвективный теплообмен водоема с атмосферой находится по формуле:

Граничное условие 2-го рода можно выразить следующим образом:

 тепловой поток или интенсивность теплопередачи от грунта, в Вт/м²

Данные наблюдений

Изменение температуры воды по глубине, данные за июль 1983 года.

Среднемесячные характеристики атмосферы

Повторяемость направлений ветра (%)

Результаты расчетов

) Вычисление коэффициента турбулентной температуропроводности:

) Вычисление расчетного интервала времени:

) Расчет температуры дна:

) Вычисление температуры поверхности воды:

= 0,01[994,5 + 276 +298,5 + 212,5] = 17,8 км => М = 0,34

=

= 0,96

Расчетная таблица температуры воды по глубине

Заключение

По результатам расчетов построены кривые изменения температуры воды по глубине для теоретически вычисленной температуры за 2.07, 18.07, 24.07 и практически измеренной температуры за 5.07, 19.07, 26.07. (Приложение № 2)

На этих кривых заметны расхождения. Кривые теоретически вычисленных температур имеют плавный характер, где наблюдаются колебания температуры от 5,5°С до 18,3 °С. Кривые имеют плавный характер, так как не были учтены различные параметры.

Кривые практически измеренных температур имеют криволинейный характер. Это сильно заметно на глубинах от 0 до 10 метров.

Метод несложный, дает хорошие результаты и поэтому его можно считать достаточно подходящим для расчета изменения температуры воды по глубине.

Список литературы

1.   Винников С. Д., Викторова Н.В. Физика вод суши. - СПб.: изд. РГГМУ, 2009

2.   Готлиб Я. Л., Жидких В. М., Сокольников Н. М. Тепловой режим водохранилищ гидроэлектростанций. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976, 203 с.

3.      Мишон В. М. Практическая гидрофизика. -Л.: Гидрометеоиздат, 2009, с. 33 - 68.

.        Пехович А. И. Основы гидроледотермики. - Л.: Энергоатомиздат, 2010, с. 42 - 83.

.        Рекомендации по термическому расчету водохранилищ. - Л., 1979, П(78 - 79) / ВНИИГ. - 74 с.

.        Россинский К. И. Термический режим водохранилищ. - М.: Наука, 2008. - 168 с.

.        Руководство по гидрологическим расчетам при проектировании водохранилищ. - Л.: Гидрометеоиздат, 2008, с. 133 - 163.

.        Браславский А. П., Кумарина М. Н., Смирнова М. Е. Тепловое влияние объектов энергетики на водную среду. - Л.: Гидрометеоиздат, 2009. - 252 с.