Особенности термического режима рек

При изучении процессов смешения водных масс Волги и Вазузы (Аппель и др., 1980) 5–9 августа 1975 г. получено 8 профилей поперечного распределения температуры воды. Два из них находились в русле Волги и Вазузы (выше узла их слияния), а 6 профилей – ниже узла слияния на участке реки длиной около 4,2 км (см. рис. 4.1). В статье приведены данные по семи поперечным профилям (по каким-то причинам данные на третьем профиле не приведены).

Таблица 5.1. Распределение температуры воды в поперечном сечении рр. Караткал и Аму-Дарья

Исключение составляет профиль №1, где измерения между 53–98 м от уреза левого берега выполнялись в 14–16 часов, а остальные – в 12–14 часов. Температура воды для этих двух периодов значительно отличалась по величине. Температура воды в Волге и Вазузе за период наблюдений практически была одинакова, поэтому для анализа масштабов зоны смешения использовалась только электропроводность воды. Некоторые результаты этого исследования приведены в табл. 5.2 (все данные приведены в Приложении 4). Они характеризуют наличие значимых аномалий температуры воды (0,30С) лишь в 7 м от левого и 12,5 м от правого берега р. Волги.

Таблица 5.2. Распределение поверхностной температуры воды по ширине р. Волги выше узла впадения р. Вазуза

В анализе поперечного распределения температуры воды использованы данные автора, полученные на р. Оке (рис. 5.1), в июне 2007 г. (см. гл. 4). Представление о неоднородности поверхностной температуры воды по ширине потока дает (табл. 5.3). Аномалии температуры воды не превышали 0,290С.

Таблица 5.3. Распределение поверхностной температуры воды в поперечном сечении р. Ока (д. Трегубово, июнь 2007 г.)

Дополнительные сведения автором получены в районе слияния рр. Протва и Исьма в июле 2008 г. (см. гл. 4). Для анализа использованы и данные распределения поверхностной температуры воды по ширине потока на плесе и перекате р. Протва и один из температурных профилей (№6) на р. Исьма.

5.3 Анализ результатов натурных исследований

По измерениям на Оке (Соколова, 1951) изменение температуры воды в поперечном сечении (Δθп) в различные месяцы колебалось от 0,10С в июне до 0,60С в сентябре и октябре (при расчете этих величин производилось осреднение данных за утренние и вечерние сроки наблюдений). Наибольшие величины Δθп наблюдались в июне в утренние (до 1,60С) и дневные часы (до 0,80С). Измерения на р. Амударья (кишл. Чатлы) также показали небольшие среднемесячные величины Δθп: 0,30С в июне, августе, сентябре и октябре, и 0,40С в июле (Соколова, 1951). Данные срочных наблюдений на р. Каратал (пост Уш-Тюбе) показали большую изменчивость температуры воды в поперечном сечении потока: 0,1–0,5 утренние (8:00) и вечерние (18:00) часы и 1,2–1,3 в 10:00 – 12:00. Эти отличия дают представления о роли теплообмена между водной массой и атмосферой для рек различного размера, находящихся в разных климатических и орографических условиях.

Измерения на р. Индигирка (пос. Воронцово) в сентябре 1942 г. показали (Соколова, 1951), что величина Δθп изменяется от 0 до 10С, а в среднем она равна 0,360С. Наблюдения на р. Оленек (пост. Сухана) в июле – сентябре 1940 г. демонстрируют аналогичную (среднюю за период измерений) величину Δθп = 0,280С при диапазоне изменения аномалий 0,11 – 0,390С (Соколова, 1951). Наибольшая изменчивость температур в поперечном сечении обнаружена на р. Лена (с. Солянка). В июне–октябре среднее значение Δθп составляло 2,420С при диапазоне изменчивости Δθп от 0,4 до 5,850С. Повышенные величины Δθп, вероятно, связаны с большим размером реки. Ширина Лены составляла 1,4 км, а всех других рассмотренных рек – не превышала 500 м.

Для Волги и Вазузы изменение температуры воды по ширине рек в среднем составляло 0,980С при диапазоне величины Δθп = 0,2 ¸3,10С. Повышенные значения Δθп связаны, вероятно, с более распластанным руслом, наличием больших по площади мелководных зон, где наблюдается более интенсивное изменение теплосодержания воды. Средние величины поперечных градиентов температуры воды на разных профилях Волги и Вазузы (см. рис. 4.1) представлены в табл. 5.4. Из анализа таблицы следует, что средние по профилю температурные градиенты в большинстве случаев не превышают величины 0,10С/м и больше 0,010С/м. Средняя величина градиентов для Волги и Вазузы составляет 0,0510С/м. Величина градиентов температуры воды в разных створах рек колеблется от 0 до 0,540С/м. Наибольшие градиенты наблюдаются в прибрежных зонах потоков. Показателем этого может служить средний градиент для Волги и Вазузы без учета значений прибрежных градиентов. Эта величина равна 0,260С/м, т.е. в два раза меньше по сравнению со средней величиной при учете теплового состояния прибрежных зон.

Таблица 5.4. Средние градиенты температуры воды в створах рр. Волга и Вазуза

Измерения автора на р. Оке в июне 2007 г. обнаружили максимальное изменение температуры воды от 0,23 до 0,690С в разных поперечных сечениях (рис. 5.2). Средняя величина аномалий температуры для всей реки 0,360С. Средний по каждому профилю поперечный градиент температуры воды изменялся от 0,00166 до 0,005230С/м при среднем значении 0,00310С/м (эта же величина является средней характеристикой gradθ для всей реки). Величина максимального gradθ изменяется для разных профилей от 0,0028 до 0,140С/м. Наибольшая величина градиентов чаще всего характерна для прибрежных зон водного потока: без учета береговых значений средний градиент изменения температуры воды в поверхностном слое для Оки равен 0,00150С/м, т.е., как и на Волге, Вазузе, прибрежные зоны потока обеспечивают поперечную изменчивость температуры воды на 50%.

В периоды дневного, синоптического или сезонного нагревания температура воды быстрее повышается у берегов, чем на стрежне потока (рис. 5.1). В периоды ночного, синоптического или сезонного охлаждения водной массы температура у берегов ниже, чем на стрежне потока (рис. 5.3). Повышенная изменчивость температуры прибрежной части рек связана не только с меньшей глубиной водного потока в этой части русла, но и, вероятно, с влиянием температуры берегов, которые, в силу меньшей теплоемкости, реагируют на изменение составляющих теплового баланса земной поверхности быстрее, чем вода.

5.4 Аналитические результаты

В соответствии с формулой (3.22) температура воды в каждой точке поперечного профиля изменяется в зависимости от , , глубины потока и шероховатости русла , а также от коэффициента а1. Использование формулы (3.22) для описания распределения температуры воды по ширине потока показало, что при а1=427 поперечные аномалии температуры воды равно нулю. Реальные поперечные профили температур уравнение (3.22) воспроизводит при а1 = 0,2–0,4.

Проверка эффективности уравнения (3.22) проведена, в частности, для условий Оки. Измерения здесь проводились в дневные часы. Температура воздуха днем менялась от 200С (утро, вечер) до 300С (полдень). Наилучшая аппроксимация фактического распределения поверхностной температуры воды уравнением (3.22) достигается при а1=0,1. Наибольшие отклонения фактических и расчетных значений температуры воды в поперечном сечении в этом случае наблюдаются при h ¹ 1 м. При h > 1 м расчетные температуры превышают фактические по всему сечению и изменение температур по ширине потока становится более равномерным. При h < 1 м фактические температуры оказываются выше, а расчетное распределение температур в потоке более однородным. Поэтому для устранения причины увеличения погрешностей расчета нормируем соответствующие члены уравнения (3.22) на глубину h=1 м. В этом случае расчетная зависимость приобретает вид

                                       (5.1)

где  поверхностная температура воды,  – температура воды в «центре» потока  – разница между прибрежной температурой воды и , - относительная полуширина реки, а1 – коэффициент.

Результаты сопоставления фактических и расчетных значений θ обнаруживают их хорошую визуальную сходимость (рис. 5.4). Количественная оценка результатов сходимости теоретического и расчетного распределения поверхностной температуры в этом створе дана в табл. 5.5. Оказалось, что среднеквадратическое ошибка расчета σ = 0,0150С. Это малая величина среднеквадратического ошибки по отношению к точности измерений. Однако эта величина оценивалась по 7 точкам, поэтому статистика неустойчивая.

Таблица 5.5. Расчетные и измеренные поверхностные температуры воды в р. Ока

Уточнение коэффициента турбулентной диффузии не дает заметного улучшения в согласовании расчетных и фактических значений. Фактическое значение коэффициента А для участка р. Оки около д. Трегубово равно 0,1v/М. Больший эффект достигается корректировкой коэффициента а1, подбираемого в ходе численных экспериментов (а1=0,06–0,1). При значении коэффициента а1=427 получается однородное распределение поверхностной температуры воды по ширине потока.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11