курсовая по физике атмосферы. курсрвая по физике атмосфер. Курсовой проект Зимний термический и ледовый режим реки Умба Выполнил студент 3 курса
 Скачать 128 Kb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ГИДРОФИЗИКИ Курсовой проект Зимний термический и ледовый режим реки Умба Выполнил студент 3 курса специальность гидрология Принял__________________ Санкт-Петербург 2012 Оглавление: Введение. Глава первая. Физико-географическое описание водного объекта. Глава вторая. Существующие методы расчета толщины льда. Расчет толщены льда. Приложение. Заключение. Список используемой литературы. Введение. Задачей нашей работы является изучение ледово-термического режима реки Умба в пределах п.г.т. Умба Мурманской области с целью выявления закономерностей образования, развития и разрушения ледяного покрова, а также расчет возможной толщины льда по данным метеорологических и гидрологических наблюдений существующими методами. Ледово-термический режим является одной из важнейших характеристик водного объекта, т.к. значительную часть года водоемы и водотоки нашей страны находятся под ледяным покровом. Помимо этого, в переходные периоды года – от лета к зиме и наоборот – на этих объектах имеют место такие явления, как ледоход, заторы, образование внутриводного льда и другие явления предоставляющие опасность для жизнедеятельности человека. Для проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений, для планирования судоходства необходимы сведения о времени наступления, продолжительности, интенсивности времени окончания ледовых явлений. Для безопасного пешеходного сообщения по льду и для транспортировки по нему тяжелых грузов нужны данные о толщине льда. Поэтому, для успешного ведения хозяйственной деятельности, необходимо знать физику ледовых явлений и уметь рассчитывать и прогнозировать их (для борьбы с ними, а иногда с целью использования в своей деятельности). Глава I Краткая физико-географическая характеристика реки Умба. 1.1 Река Умба берет начало из озера Умбозеро, и впадает в Кандалакшский залив Белого моря. Координаты у истока реки 67º 31´ с.ш., 34º 20´ в.д, у устья 66º 40´ с.ш., 34º 18´ в.д. Общее направление течения с севера на юг с большими отклонениями на восток и запад. Река является своеобразной водной системой протяжением 123 км, из которых половины приходится на проточные озера, соединенные между собой сравнительно короткими и порожистыми речными участками. Бассейн реки Умба изобилует озерами; более или менее значительных озер насчитывается около 80 (коэффициент озерности 15 - 16 %). Крупные озера – Умбозеро, Канозеро и Пончозеро – расположены в системе самой реки; из больших озер, расположенных на левобережье, выделяются – Вялозеро, Мунозеро и Ингозеро. Особенно много малых озер в правобережной части бассейна, на участке исток озера Капустный. Река протекает по лесотундре, имеющей крупнохолмистый рельеф. Высота холмов и гряд от 10 до 50 м и возрастает по мере удаления от русла и вниз по течению реки. Холмы и гряды поросли хвойным лесом, сложены коренными породами, прикрытыми с поверхности валунами супесями; их склоны рассечены ложбинами и отдельными ямами, местами - отвесные, скалистые. Понижение местности заболочены и покрыты мхом и смешанными лесами. Долина реки занимает область тектонической трещины-разлома, пересекающий Кольский полуостров меридионально, по линии р. Воронья и р. Умба. Современная долина слабо выражена, заполненная ледниковыми отложениями. Русло реки слабоизвилистое, с озеровидными расширениями, порожистое. Пороги расположены более или менее равномерно, на реке имеются 36 порогов. В акватории реки встречаются небольшие (100 Х 300 м) каменистые, поросшие хвойным лесом острова, располагающиеся обычно по 2 – 3. Пойма шириной 100 – 200 м, в отдельных местах до 1 – 2 км, в порогах отсутствует. Поверхность ее ровная, заболоченная, поросшая редким лесом. Преобладающая ширина реки около 100 м; в озеровидных расширениях, которые встречаются довольно часто, она увеличивается до 500 м, а в порогах уменьшается до 20 м.. В плесах глубина 2,0 – 3,2 м; на порогах – около 1,0 м, иногда 0,3 – 0,5 м.. Скорость течения в порогах 1,2 – 2,7 м/сек., в плесах – 0,3 – 0,5 м/сек. Дно на речных участках преимущественно каменистое, местами песчаное; в озерах – илистое, реже песчаное. Уровневый режим реки сильно зарегулирован оз. Умбозеро, поэтому в годовом ходе уровней выделяется не высокое, но сильно растянутое по времени половодье, после которого уровень медленно спадает вплоть до устойчивой зимней межени. Весенний подъем воды обычно начинается в конце апреля – начале мая. Максимум половодья наступает в среднем в последней декаде июня; его высота в истоке колеблется от 0,2 до 0,5 м над условным уровнем. Спад полных вод происходит медленно и заканчивается в августе – сентябре. Летние дождевые паводки бывают очень редко, только при сильных и затяжных дождях; их высота не превышает 0,3 м, а продолжительность составляет 30 – 50 дней. Осенние дожди почти ежегодно вызывают повышение уровня на 0,2 – 0,4 м; после наступление устойчивых морозов уровень начинает спадать. 1.2 Гидрологический пост порог Паялка существует с 14 июня 1930 года. Пост свайный расположен в 3,7 км от устья Белого моря, на левом берегу реки Умба. Координаты поста 66°42´ с. ш. и 34°18´ в.д., площадь водозабора составляет 6570 км2. Прилегающая местность характеризуется крупно-холмистым рельефом, с наличием большого количества заболоченных котлованов и незначительных озер. Долина реки U – образной формы с котловидными расширениями. Склоны рассечены оврагами, балками - высотой до 50 м, крутые, каменистые поросшие смешанным лесом. Русло умеренно – извилистое, порожистое с озеровидными плесами. Температура воды - измеряется в створе водпоста, термометром для измерения температуры воды, закрепленном в металлической оправе. Глубина в месте измерения 0,5 м, участок проточный. Ближайшие пороги расположены: в 1 км выше водпоста – порог Падун, в 50 м ниже водпоста – порог Паялка. Пороги незамерзающие в зимнее время. В створе водпоста, в период ледостава, длительное время сохраняется полынья. Ледовый режим на участке поста устойчив. Образования левого покрова чаще всего начинается с заберегов, нередкие зажоры выше и ниже поста, вызванные скоплением шуги. Зажоры преграждают путь прибывшей сверху воде, вызывая тем подъем уровней воды. Толщина льда измеряется на 2-х участках каждые 5 дней на середине реки. 1-й участок, расположен на 10 – 15 м выше основного водпоста, характеризуется как порожистый - стремительный участок реки. 2 –й участок, в 150 м выше водпоста, характеризуется как плесовый участок. Ледообразование на реке в среднем начинается в конце октябре, на плесах и озерах появляются забереги, а в порогах происходит интенсивное образование донного льда, который обусловливает массовое появление шуги. Осенний ледоход (чаще плывет шуга) продолжается 10 – 30 дней. Ледяной покров устанавливается только на участках реки со спокойным течением, на порогах обычно всю зиму держаться полыньи, замерзающие только при сильных морозах. Донный лед, который образуется на порогах, выстилает все дно реки, а на плесах забивает русло и обуславливает возникновение мощных зажоров. Толщина льда на плесах и озерах к концу зимы достигает 30–90 см. Вскрытию предшествует появление трещин в ледяном покрове, закраины, подвижки льда. Вскрываются от льда раньше всего участки реки, лежащие ниже озер. Плесы освобождаются от ледяного покрова в апреле – мае; ледоход сопровождается заторами льда, причем часто происходит нагромождение льда на берег. На озерах и плесах большая часть льда тает на месте; кроме того при ледоходе на порожистых участках лед сильно разрушается и обычно не доходит до устья. Продолжительность ледохода в истоке реки 8 - 20 дней, у устья – всего 1 - 5 дней. Весенний ледоход наблюдается ежегодно, но, по сути, он неинтенсивный. Полное очищение реки ото льда наблюдается примерно в середине мая. 1.3 Многолетние данные о температурном и ледовом режиме, толщине льда приведены в таблицах [1.2], [1.3 (а,б)] . На интенсивность нарастания толщены льда, оказывают влияние метеорологические условия, имевшие место в тот или иной период, и прежде всего – температура воздуха. Так в холодные зимы нарастание толщены льда происходит в течении почти всей зимы, вплоть до 1 – 2 последних перед вскрытием измерений. Мощность ледяного покрова при этом значительно превышает среднее многолетнее. Напротив, в умеренные и особенно теплые зимы, после образования устойчивого ледового покрова его толщина сначала увеличивается, а затем (март - апрель) остается неизменной продолжительное время, и перед вскрытием значительно уменьшается. Для сравнения на графике. 1,1 предоставлены данные о толщине льда и высоте снега за пятилетний период начиная с 2006-2007гг и заканчивая 2010-2011гг., в сравнении с многолетней нормой взятой из справочника ,,Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Выпуск 6 Том 1” Ленинград Гидрометеоиздат 1985 гг. (средние многолетние данные приведены в таблицах 1,3 (а) и 1,3 (б)). Анализируя результаты наблюдений за толщиной льда за многолетний период, можно сделать выводы о том, что на интенсивность нарастания толщины ледяного покрова в значительной степени влияет наличие или отсутствие на нем снега. В качестве примера можно взять данные о толщине льда на реке Умба порог Паялка за 2008-2009 гг и 2010-2011гг Хотя в значениях температуры воздуха и наблюдаются различия, однако, и в одном, и в другом случаях в течении зимнего периода не было ни продолжительных оттепелей, ни сильных морозов, поэтому в целом за зиму температурные условия обеих периодов будем считать схожими. В год когда, в начале зимы снег на льду практически отсутствует (2010-2011 гг), нарастание толщины льда происходит гораздо с большей интенсивностью, чем в год когда на льду есть слой снега высотой 15 – 20 см.. (Однако, следует заметить, что нарастание толщины льда на реках происходить из-за частых оттепелей резкого перехода температуры в отрицательный режим, выступлении воды на поверхность льда и намокании снега, впоследствии замерзающим и при этим создавая увеличение толщины льда). 1.4. 1.2 Выведенные из многолетних данных за период с 1946 – 1966 гг. среднее даты перехода температуры воды через 0,2°С на реке Умба порог Паялка весной и осенью.
Таб.1,3 а, 1,3 б Пояснения к таблицам( 1.2) - 1.3(а,б). Таблица 1.2 содержит сведения о средних многолетних датах перехода температуры воды через 0.2˚ С весной и осенью. За дату устойчивого перехода средних суточных значений температуры воды через 0.2˚ С весной принята дата, начиная с которой в течение не менее 20 суток подряд температура не переходила через указанный предел. За дату устойчивого перехода средней суточной температуры воды через 0.2˚ С осенью принята дата, начиная с которой и до ледостава, независимо от продолжительности периода, средняя суточная температура воды во все сутки была ниже указанной. Таблица 1.3 (а,) содержит сведения о сроках наступления ледовых явлений и продолжительности фаз ледового режима на реке Умба порог Паялка. Выборка данных произведена за гидрологический год, т.е. с осени предыдущего года до весны данного года из ежегодников и ЕДС. За дату начала осенних ледовых явлений (графа 2) принята дата образования устойчивых заберегов или первые сутки появления шугохода, ледохода, ледостава в зависимости от того, какое из этих явлений наступило раньше. Случаи, когда первые ледяные образования наблюдались всего 2-3 суток, после чего наступал длительный (10 суток и более) период с отсутствием ледовых явлений, во внимание не приняты. За начало осеннего шугохода или ледохода (графа 3) приняты первые сутки их появления, при этом учтен и непродолжительный (1-3 сут.) шугоход (ледоход), отделенный от последующего шугохода (ледохода) или ледостава длительным периодом с ледовыми явлениями. За начало устойчивого ледостава (графа 4) принята дата установления неподвижного ледяного покрова, который сохранялся в течение 20 суток. и более. За дату начала весеннего ледохода принята первая дата его появления. За окончание ледовых явлений (графа 6) приняты последние сутки с явлениями. Продолжительность фаз ледового режима (графы 7-10) вычислена по разности дат начала и конца явления, т. е. за календарные сроки, включающие и даты, когда ледовые явления отсутствовали. Средние даты наступления ледовых явлений подсчитаны только за годы с явлением, когда оно наблюдалось в 50% лет и более от общего ряда наблюдений. Рядом с датой в скобках указано процентное отношение лет. Средняя продолжительность ледовых явлений вычислена как среднее арифметическое из всего ряда наблюдений за годы с наличием явления. Таблица 1.3(б) содержит сведения о средней, наибольшей и наименьшей толщине льда. Толщина льда дана на 10, 20 и последнее число месяца по измерениям на середине реки. При отсутствии ледяного покрова на конец рассматриваемой декады в 50% случаев и более от общего числа лет наблюдений средняя выводная характеристика не подсчитана, соответствующая графа не заполнена. Данные о наибольшей и наименьшей толщине льда записаны в виде дроби: в числителе – толщина льда, в знаменателе – год наблюдений. Если в период отсутствия измерений могла иметь место экстремальная толщина льда, которую невозможно восстановить, в соответствующей графе поставлено тире. При отсутствии ледяного покрова течение трех лет и более на конец рассматриваемой декады в строке «Наименьшая» в числителе поставлен знак «нб», а в знаменателе указано число таких лет в процентах от общего ряда наблюдений. В последней графе приведена наибольшая за год толщина льда, выбранная из всех имеющихся пентадных и декадных значений. Глава II Существующие методы расчета толщины льда Осенне–зимний ледовый и термический режимы зависят от многих факторов: географических, климатических и погодных условий, размеров и глубин водоема, скорости течения, физических свойств воды и др. Формирование ледяного покрова в реках протекает в результате процессов теплообмена их с окружающей средой в осенне-зимний период года. Накопленные водой за лето запасы теплоты осенью расходуются при теплообмене с атмосферой. При охлаждении воды до 0˚ С и продолжающейся после этого отдаче тепла с водной поверхности на реках возникают ледовые образования – реки вступают в фазу зимнего режима. За начало зимнего периода условно принимают установление отрицательных температур воздуха, сопровождающихся возникновением на реке ледовых образований – сала, заберегов, шуги и др. Концом зимнего периода считают момент очищения реки ото льда. На реках установление ледостава часто начинается с заберегов. По мере остывания воды забереги растут в направлении их открытой части и в итоге смыкаются. За счет смерзания в открытой части водоема плавающего сала, шуги образование ледяной корки ускоряется. После образования корки льда толщиной около 0,01 м дальнейшее нарастание толщины льда снизу обуславливается теплоотдачей на границе лед – воздух, наличием снега на льду и физическими свойствами воды и льда. До последнего времени вычисление возможной толщины ледяного покрова на реках, озерах и водохранилищах производилось по эмпирическим формулам. Большинство из этих формул имеет вид: τ n hл = φ (∑θ2 ) (2.1), 0 где hл – толщина ледяного покрова, м; ∑θ2 - сумма средних суточных отрицательных значений температуры воздуха на высоте 2 м от начала образования ледяного покрова за период τ, ˚С; φ и n – эмпирические коэффициенты. В таблице 2.1 приведены значения параметров φ и n, предложенных исследователями для различных регионов: Таблица 2.1
Примечание: в формуле Быдина θ' – сумма средних месячных температур воздуха за период образования льда. Формулы типа (2.1) получены по материалам непосредственных наблюдений и через коэффициенты φ и n отражают в среднем те условия, которые имели место в период наблюдений (температуру воды, высоту и плотность снежного покрова, скорость течения воды подо льдом, глубину водоема и другие факторы), не раскрывая функциональные связи между ними. Однако в виду различия этих факторов даже для отдельных участков рек и водоемов и недостаточной продолжительности наблюдений указанные параметры существенно меняются. Отсюда и многообразие формул типа (2.1), носящих локальный характер. Совершенно очевидно, что толщина ледяного покрова в значительной степени зависит от мощности и плотности снежного покрова, от погодных условий (ветреная или штилевая погода имеет место в период роста льда), от теплопотока из водной массы, от интенсивности потока лучистого тепла. Указанные факторы роста ледяного покрова не находят отражения в эмпирических формулах вследствие того, что существующие методы статистической обработки данных без привлечения физики не позволяют раскрыть формирование рассматриваемого явления. Подходя к анализу исследуемого явления с позиций физики, следует отметить, что рост льда является чисто теплоэнергетическим процессом. Поэтому разрабатывать расчетные формулы для оценки толщины льда следует на основе использования уравнения теплового баланса. С этих позиций подошел к решению указанной задачи норвежский исследователь О. Дэвик. Считая, что изменением энтальпии ледяного покрова и лежащего на нем снега можно пренебречь, напишем следующее выражение: n Lкрρ dhл / dτ = ∑ (Qв.п. – Qн.п.), (2.2) 1 где Lкр – удельная теплота кристаллизации; ρ – плотность льда; dhл / dτ- n интенсивность роста ледяного покрова; ∑ Qв.п. – суммарная теплоотдача с 1 n верхней поверхности снега, покрывающего ледяной покров; ∑ Qн.п. – 1 теплоприход к нижней поверхности льда от воды. Основными составляющими теплообмена на верхней границе поверхности снежного покрова являются: теплопередача конвекцией, теплопередача испарением, теплопередача излучением и приход тепла прямой и рассеянной радиации. Приход тепла к нижней поверхности льда осуществляется от следующих источников: от ложа реки и за счет перехода механической энергии в тепловую при движении воды. Обычно считают, что для расчета нарастания толщины льда можно ограничиться учетом лишь конвективного теплообмена, полагая, что остальные составляющие взаимно компенсируют друг друга. При отсутствии снежного покрова и малом притоке тепла от воды расчет толщины ледяного покрова hл на какую-либо дату производят по формуле: h  л = - λл/αл + √(λл/αл)² + hл0² + 2 hл0 λл/αл - 2θ2 λл ( τ – τ0) / Lкрρ; (2.3) где hл – искомая толщина льда, м; hл0 - начальная толщина льда, м; λл – коэффициент теплопроводности льда , Вт/(м·К); αл - коэффициент теплообмена льда с атмосферой, Вт/(м²·К); θ2 - средняя за расчетный интервал времени температура воздуха, ºС; Lкр - удельная теплота ледообразования, равная 335 кДж/кг; ρ - плотность льда, кг/м³; ( τ – τ0) - продолжительность расчетного интервала времени, с. При отсутствии льда на начало расчета (для первого расчетного интервала времени) формула принимает вид:  hл = - λл/αл + √(λл/αл)² - 2θ2 λл ( τ – τ0) / Lкрρ; (2.4)При наличии снега на льду расчет производится по формулам:  hл = - А + √ (А + hл0)² - 2θ2 λл ( τ – τ0) / Lкрρ (2.5)А = λл / αсн + hсн λл / λсн (2.6) где hсн – высота снега на льду, м; λсн - коэффициент теплопроводности снега, Вт/(м·К); αсн - коэффициент теплообмена снега с атмосферой, Вт/(м²·К); Теплопроводность снега зависит от его плотности ρ. Для расчета коэффициента теплопроводности снега предложено несколько формул. Наибольшее распространение имеют формулы Г.П. Абельса и А.С. Кондратьевой: при ρсн < 350 кг/м λсн = 2.85 ·10 · ρ²; (2.7) при ρсн > 350 кг/м λсн = 3.56 ·10 · ρ². (2.8) Коэффициенты теплообмена определяются по эмпирическим формулам О. Дэвика в зависимости от средней за время τ скорости ветра : при наличии снега: αсн = 23.2 √ ω + 0.3 (2.9) при отсутствии снега: αл = 5.8 √ ω + 0.3 (2.10) где ω – скорость ветра, м/с. При расчетах нарастания толщины льда за сравнительно короткие промежутки времени, например, в начале ледостава, применение формул (2.3), (2.4) и (2.5) может привести к заметным ошибкам вследствие отклонения значений метеорологических элементов от принятых значений при средних условиях. Приведенные выше формулы предназначены для расчета толщины только кристаллического льда. В условиях намерзания сверху снежного льда использование этих формул для оценки толщины ледяного покрова может приводить к большим погрешностям. Возможность выхода воды на лед и образование снежного льда оценивается по уравнению: hсн = (1000 – ρл) hл / ρсн; (2.11) где hсн – предельная высота снега на льду, при которой вода еще не выходит на лед, м; hл – толщина льда, м; ρл и ρсн – плотность льда и снега, кг/м³. При наличии скоплений шуги под ледяным покровом нарастание толщины льда рассчитывается по формуле: Δhл = 0.00062 Σ tп / hэ( 1 - ρш /ρл), (2.12) где Δhл – приращение толщины льда за время τ, м; Σ tп – сумма отрицательных средних суточных значений температуры поверхности за то же время, определяется по номограмме в зависимости от облачности и эквивалентной толщины льда; ρш – плотность шуги, кг/м³; hэ – эквивалентная толщина льда, рассчитываемая по формуле: hэ = hл + (λл / λсн) · hсн (2.13) Метод О. Дэвика позволяет с достаточной точностью определить толщину льда в период ее нарастания. Но, как уже упоминалось в 1 главе, на р. Десна во второй половине зимы увеличение толщины льда в большинстве случаев не происходит, напротив, к концу зимнего периода толщина ледяного покрова значительно уменьшается. Формулы (2.3) и (2.5) не дают точных результатов в конце зимы, несмотря на то, что в расчетах уже используются довольно высокие положительные значения (5-6ºС) температур воздуха. На основании вышеизложенного можно сделать предположение о том, что под влиянием теплоотдачи толщина ледяного покрова нарастает до тех пор, пока поток тепла через лед от воды к атмосфере, уменьшающийся по мере роста ледяного покрова, не станет равным притоку тепла к нижней поверхности льда. Если условия, определяющие приток тепла к нижней поверхности льда и теплоотдача через лед длительное время сохраняются, то толщина льда стремится к значению, удовлетворяющему равенству: hл = λл θ2 / Qн.п. * (2.14) Из равенства (2.14) следует, что толщина льда при установившемся теплообмене и неизменности метеорологических условий зависит от поступления тепла к нижней поверхности льда. Следовательно, в водоемах с небольшими скоростями течения толщина льда при установившемся теплообмене будет определяться теплоотдачей дна. В реках к нижней поверхности льда поступает тепло, возникающее в потоке в результате превращения кинетической энергии в тепловую. Повышенный теплоприход в этом случае обусловливает при прочих равных условиях формирование более тонкого ледяного покрова, чем на малопроточных водоемах. Поэтому, возможно, для более точных расчетов толщины льда на р. Десна, следует учитывать и довольно значительную (0.3-0.5 м/с) скорость течения. А.И. Чеботарев «Общая гидрология», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1975 Глава III Расчет толщины льда1.1 Исходные материалы. Для расчета нарастания толщины льда были использованы следующие материалы: 1. Таблицы ТСХ-1 с данными о среднесуточной температуре воздуха по гидрометеорологической станции Умба за зимний период с 2006 -2007 по 2010-2011 гг.; таблицы ТСХ-1 со сведениями о скорости ветра и плотности снежного покрова за зимний период 2010-2011гг. 2. Таблицы ежедневных уровней воды с ледовыми явлениями с 2006-2007 по 201-2011 гг. по водпосту река Умба порог Паялка, помещенные в гидрологических ежегодниках. 3. Таблицы толщины льда по водпосту порог Паялка с 2006-2007 по 2010-2011 гг, помещенные в гидрологических ежегодниках. 4.Комплексные графики результатов гидрометеорологических наблюдений по водпосту порог Паялка с 2006-2007 по 2010-2011 гг. Чтобы не загромождать основной текст, все необходимые исходные данные и вспомогательные таблицы приведены в Приложении. 1.2 Порядок расчета. В настоящей работе выполнен расчет интенсивности нарастания толщины ледяного покрова на реке Умба водпост порог Паялка (перекат, плес) за период устойчивого ледостава 2010-2011 гг. Расчет производился несколькими способами. 3.1.1. Для исследуемого водного объекта сделана попытка установить значения параметров φ и n в эмпирической формуле: τ n hл = φ (∑θ2 ) 0 Для этого были использованы данные метеорологических и гидрологический наблюдений за пятилетний период (2006-2007, 2007-2008, 2008-2009, 2009-2010, 2010-2011 гг.). По метеорологическим таблицам ГМС Умба были вычислены суммы среднесуточных температур воздуха на конец каждой пентады. Расчет производился от первого дня с ледовыми явлениями на реке и до дня последнего перед вскрытием измерения толщины льда. Значения толщины льда, взятые из гидрологических ежегодников, и суммы среднесуточных температур воздуха были прологарифмированы (приложение ). На графике 1,2 нанесены точки, соответствующие каждой τ паре значений ln hл и ln ∑ -θ2 0 По совокупности всех точек проведена осредненная прямая. Взяв на прямой две точки А(2,0; 2,055) и В(4,0; 3,125), было получено значение n: n = 3,125 – 2,055 /4.0 – 2.0 = 0.535 τ ln φ = ln hл – 0.535 ln ∑ -θ2 = 0.45 0 φ = 1.57 Таким образом, эмпирическая формула для реки Умба (водпост порог Паялка) имеет вид: 0.535 hл = 1.57( ∑ -θ2) (2.1) По полученной формуле для последующего зимнего периода 2010-2011гг. были вычислены значения толщины льда по пентадам (приложение ). Формула (2.1) расчетного периода дает удовлетворительные результаты. Однако на плесе, в начале ледостава формула значительно занижает толщину льда, показывая меньше фактической на 5-9 см, (вероятно, из за малого накопления отрицательных температур, зато в конце ледового периода толщина льда на 5-10 см больше фактической из–за большого накопления отрицательных температур). А вот на перекате, формула за весь период наблюдения на 2-10 см занижает фактически измеренные толщины льда (скорее всего, из за того что на этом участке реки более интенсивное течение и ледостав установился значительно позже, в связи с этим и накопление отрицательных температур намного меньше чем на плесе). 3.2.2. Расчет производился по формуле Ф.И. Быдина: hл = 1,5√θ', (коэффициент 1,5 вычислен из данных средних многолетних, для Мурманского региона взят из таблицы). где θ' – сумма среднемесячных отрицательных температур воздуха за рассматриваемый период. Для расчетов были использованы среднемесячные отрицательные температуры воздуха по ГМС Умба, которые последовательно суммировались (приложение). Для апреля вычислена средняя температура воздуха за 25 дней. Результаты на обоих измеряемых участках, полученные по данной формуле, значительно завышают фактическую толщине льда из за большого накопления отрицательных температур. 3.3.3. Наиболее точные результаты получены при расчете методом О.Дэвика. За начало расчетного периода принят первый день с ледовыми явлениями на реке, после которого шло накопление отрицательных температур воздуха – 30 ноября 2010г. Расчет толщины льда производился по пентадам, для чего были вычислены средние за пять дней значения температуры воздуха и скорости ветра. Ввиду отсутствия данных о плотности снега на льду, в расчетах использовалась плотность снега, определенная по результатам снегомерных съемок гидрометеостанции Умба на полевом маршруте. Так как пентадные снегосъемки не производились, плотность снега за 5, 15,25 числа каждого месяца, когда на льду был снег, вычислялась по интерполяции декадных данных. Расчет толщины льда производился по формулам (2.3) – (2.10) Так как все они есть в настоящей работе (глава 2), повторять их нет необходимости. При вычислениях использовались следующие значения: λл = 2.24 Вт/(м·К); Lкр = 335 Дж/кг; ρ = 917 кг/м³. Вспомогательная таблица, содержащая исходные данные и промежуточные величины, помещена в приложении От начала расчетного периода и до середины февраля полученные результаты довольно близки к наблюденным, но в конце зимы также, как и в предыдущих случаях, наблюдается несоответствие. Все полученные различными способами результаты сведены в одну таблицу (1,3), для наглядности в нее помещены также фактические значения толщины льда. Те же данные, но полученные каждым методом в сравнении с наблюденными, изображены графически (1,3) . Все три способа расчета не отразили фактических данных в конце зимы. Возможно, с первой половины апреля при наступлении оттепели и таяния снега на льду возрастает роль тепла, поступающего к верхней поверхности льда, и происходит его подтаивание сверху. Одновременно с этим к нижней поверхности может поступать тепло от воды, доля которого для водоемов с глубиной <5 м и скоростью течения ≈ 0.4 м/с составляет 93%* Поэтому считаю, что в период оттепелей расчет толщины льда следует производить не по формулам, определяющим его нарастание, а по методам расчета таяния ледяного покрова, учитывая все факторы, вызывающие это таяние: тепло солнечной радиации, поглощаемое толщей ледяного покрова, турбулентный теплообмен поверхности льда с атмосферой, теплообмен вследствие конденсации или испарения, эффективное излучение и тепло, поступающее от воды и адсорбируемое нижней поверхностью ледяного покрова. * В.М.Мишон «Практическая гидрофизика» Приложение : Заключение. В ходе выполнения работы установлено, что ледово-термический режим реки Умба весьма многообразен. Это многообразие обусловливается географическим положением местности, климатическими и погодными условиями, размерами и глубиной реки, физическими свойствами воды, снега и льда, хозяйственной деятельностью человека. На интенсивность нарастания ледяного покрова в значительной степени влияют температура воздуха, скорость ветра, высота и плотность снега на льду. В настоящее время предложено большое количество различных методов расчета и формул для вычисления толщины льда, дающих нередко хорошую сходимость с результатами наблюдений. Однако, следует иметь в виду, что во многих случаях возникает необходимость учета большего количества природных факторов, влияющих на нарастание ледяного покрова. Нередко формулы, дающие хорошие результаты в одних природных условиях, оказываются непригодными или недостаточно точными в других. Это обстоятельство необходимо всегда учитывать. Одностороннее использование существующих методов без раскрытия всей сложности изучаемых природных процессов может привести к грубым ошибкам. В будущих исследованиях по данной теме хотелось бы, используя в расчетах данные о глубине, ширине реки, скоростях течения, изучить степень влияния на толщину ледяного покрова тепла, которое образуется в результате перехода механической энергии в тепловую при движении воды подо льдом. Список литературы: 1.С.Д. Винников, Б.В. Проскуряков «Гидрофизика», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1988 2.В.М. Мишон «Практическая гидрофизика», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1983 3. А.А. Лучшева «Практическая гидрология», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1959 4.А.И. Чеботарев «Общая гидрология», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1975 5. Справочник «Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши», т.1, вып.2 (бассейн Днепра), Гидрометеоиздат, Ленинград, 1984 6.Гидрологические ежегодники, т.2, вып.4,5 (бассейн Черного и Азовского морей), Киев, Обнинск 7.Таблицы ТСХ-1 по МС Трубчевск за 1968-74гг. 8.Материалы по гидрографии СССР, (бассейн р. Десна), Курск, 1956 9.Технические дела по водомерным постам Голубея, Брянск и Трубчевск 10.Методические указания по дисциплине «Физика атмосферы, океана и вод суши», изд-во РГГМУ, Санкт-Петербург, 2000 |