Адаптация методики учета интенсификации испарения на мелководьях для модели тепло-массообмена на примере Иваньковского водохранилища

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Адаптация методики учета интенсификации испарения на мелководьях для модели тепло-массообмена на примере Иваньковского водохранилища

М.Г. Гречушникова - канд. геогр. наук

Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Произведена адаптация модели тепло-массообмена для расчета внутрисезонного состояния водных масс Иваньковского водохранилища. Блок расчета составляющих тепло-массообмена усовершенствован методикой расчета интенсификации испарения на мелководьях. Произведенные тестовые расчеты показали, что различия интенсивности потоков скрытого тепла с мелководной и глубоководной зоны определяются как погодными условиями, так и положением уровня воды, несмотря на относительно небольшие его колебания в течение периода открытой воды, и изменяются в пределах от 1,8 до 13,9% по отношению к величине средневзвешенного потока скрытого тепла.

Model adaptation is made for calculation of an intraseasonal condition of water body of the Ivankovsky reservoir. The block of calculation of heat-mass components is improved due to procedure of an intensification of evaporation on shoal. The test calculations have shown that distinctions of intensity of latent heat streams from a shallow and deep-water zone are defined both weather conditions, and water level position, despite its rather small fluctuations during the period of open water, and change in limits from 1,8 to 13,9 % in relation to size of the average stream of latent heat.

Введение

При моделировании взаимодействия водоема с атмосфе-рой одним из важных пунктов является расчет потоков явного и скрытого тепла в приводном слое. При моделировании этих потоков основой служит теория подобия Монина-Обухова [5]. Водная поверхность из-за волнения весьма динамична, что обусловливает изменчивость коэффициента шероховатости и потоков тепла и импульса. Для учета эффекта волнения на турбулентные потоки Чарноком была предложена известная формула, задающая зависимость коэффициента шероховатости от скорости трения в приводном слое воздуха, а в дальнейшем предложены ее обобщения [4]. Однако эта методика не учитывает зависимость волнения от локальной глубины озера, когда при меньших глубинах гребни волн становятся более крутыми, что приводит к увеличению шероховатости и турбулентных потоков. Параметризация этого эффекта предложена Г.Н. Паниным [6], соответствующая поправка на турбулентные потоки и температуру поверхности водоема оказалась заметной на временах порядка месяца, как было показано в [8].

Настоящая работа посвящена усовершенствованию модели тепло-массообмена долинного водохранилища, разработанной на кафедре гидрологии суши МГУ [7], путем внедрении блока расчета потоков скрытого и явного тепла, использованного В.М. Степаненко с учетом параметризации Г.Н. Панина. Для апробации нового алгоритма выбрано Иваньковское водохранилище с обширными мелководьями в верховьях, поскольку данные о составляющих его водного баланса доступны в справочной литературе, а морфометрические особенности таковы, что в соответствии с модельной схемой в расчетных отсеках I-4, I-5, и в особенности в II-1 площади мелководий особенно велики (рис. 1, 2).Для моделирования выбраны три года, различающихся по водности притока и погодным условиям: 1973, 1981 и 1984.

1. Схематизация Иваньковского водохранилища

По данным [2] площадь акватории водохранилища при НПУ составляет 327 км²; площадь водосбора 40570 км². По морфологии водохранилище делится на 3 плеса: Иваньковский, Волжский, Шошинский.

Рис. 1. Батиграфические кривые расчетных отсеков Иваньковского водохранилища в соответствии с расчетной схемой

В горизонтальном нап-равлении водоем разделен на 2 лопасти и 8 расчетных отсеков (рис. 2). Основная лопасть распространяется вверх по р. Волге от плотины Иваньковского гидроузла до г. Твери, вторая лопасть распространяется вверх по р. Шоше (Шошинский плес) и состоит из 3 отсеков. По вертикали водоем разбит на расчетные слои толщиной 1 м; максимальное количество слоев равно 21. Водохранилище имеет 3 водозабора: два из них подают воду в нижний бьеф Иваньковского гидроузла и находятся в теле плотины; третий водозабор отводит воду в канал им. Москвы. Инструментально измеренные расходы основных рек лопастей заданы по данным водомерных постов р.Волга - г. Старица и р. Шоша - с. Никулино Городище. С боковой площади водосбора в водохранилище впадают три притока, имеющие гидрометрические наблюдения: 1) р. Тьма - с.Новинки, 2) р. Тверца - с. Медное и 3) р. Лама - с. Егорье. Площадь отсеков на расчетных горизонтах задавалась по данным, приведенным в приложении 1 монографии «Водохранилища Верхней Волги» [1], и данным, полученным путем планиметрирования лоцманской карты водохранилища [3] с масштабом 1:25000.

2. Гидрометеорологические переменные

1) Текущие значения гидрометеорологических параметров, величины которых задаются в исходных данных на каждые расчетные сутки, были получены из гидрологических ежегодников и базы данных НАСА [9]. Температура воды при-токов определялась по среднедекадным данным соответствующих постов (по данным гидрологических ежегодников). Для зимнего периода, в течение которого наблюдения за за температурой воды не ведутся, среднесуточные значения температуры воды притока принимались равными 0^оС. Ввиду отсутствия ежесуточных данных о температуре воды на посту, для вегетационного периода среднесуточные значения температуры воды для каждой декады принимались равными среднедекадной температуре плюс поправка, отражающая внутридекадные колебания температуры воды.

Рис. 2. Схема расчетных отсеков Иваньковского водохранилищ

тепло массообмен водохранилище испарение

Величина этой поправки для каждых расчетных суток принималась равной отклонению суточной температуры воздуха от ее среднедекадного значения, умноженному на поправочный коэффициент, отражающий большую инерционность в изменениях температуры воды по сравнению с температурой воздуха. Поправочный коэффициент (k) принят равным 0,46. Минерализация воды притоков рассчитана по эмпирическим зависимостям, полученным по данным многолетних наблюдений, опубликованных в Гидрологических ежегодниках за 1955-1975 гг.

3. Исходные данные

В качестве маловодного выбран 1973 г., в качестве близкого к многоводному взят 1981 г., в качестве близкого к среднему по водности году взят 1984 г. Выбор лет определялся доступностью данных, опубликованных в гидрологических ежегодниках.

Несмотря на различную водность притоков водохранилища в выбранные годы, изменение уровня воды в водохранилище за период открытой воды (когда акватория полностью свободна ото льда) различается незначительно: от 123,7 м. абс 06.10.73 до 124,18 01.05.81. Усовершенствование методики расчета испарения, последующий анализ и сравнение полученных данных, осредненных по месяцам, касается именно периода открытой воды, то есть с мая по октябрь. В начале апреля и в ноябре водохранилище может быть частично покрыто льдом, что подразумевает другую методику расчета, которую мы в данной работе не рассматриваем.

По данным об изменении температуры воздуха наиболее теплым оказался 1981 г.с максимумом температуры воздуха до 25,9 ^оС. В летнее-весенний период 1973 и 1984 гг. имеют схожие условия: среднее значение температуры воздуха за период с мая по август составило 15,9 и 15,0^оС соответственно, а наибольшее и наименьшее 23,1 и 22,2, 5,7 и 5,3^оС соответственно. В 1973 г. осень выдалась наиболее прохладной (до -3,4^оС 24.10.73).

Для каждого из выбранных лет проведены 3 расчета: 1) по версии модели ТМО с использованием формулы ГГИ для расчета среднесуточной величины испарения, 2) по усовершенствованной версии модели ГВМ-МГУ, в которой рассчитывается теплообмен с атмосферой в соответствии с теорией подобия Монина-Обухова (потоки скрытого и явного тепла) без учета эффекта влияния мелководий, 3) аналогично предыдущему варианту, но с учетом интенсификации испарения для участков «мелкой» воды, предварительно выделенных по методике Г.Н. Панина [6]. Далее рассчитываются средневзвешенные значения потоков явного и скрытого тепла для всей акватории, а последнее значение пересчитывается в слой испарившейся воды.

Сравнение результатов всех вариантов расчета со значениями испарения, приведенными в гидрологических ежегодниках, показало хорошие результаты (табл. 1).

Таблица 1

Среднемесячные значения объема испарившейся воды, млн м³*

*1 - по данным расчета модели ГВМ-МГУ с коррекцией «мелкой воды»; 2 - то же без коррекции; 3 - по данным расчета модели ТМО; 4 - по данным из гидрологических ежегодников.

Летом наиболее теплого 1981 г. среднемесячные значения объема испарившейся воды по данным всех трех расчетов превышают приведенные в ежегоднике значения не более чем на 23%. В остальных случаях расчет по модели ГВМ-МГУ с учетом интенсификации испарения на мелководьях дает наиболее близкие результаты.. Учет эффекта интенсификации испарения на мелководьях (в % объема испарившейся воды) в составляет от 3,1 до 6,3% в 1973 г., от 2,8 до 6,3% в 1981 г. и от 3,9 до 8,75 в 1984 г.

Таблица 2

Среднемесячные значения потоков скрытого тепла и площади мелководной и глубоководной зоны**

**1 - Es, Вт/м³; 2 - Ed, Вт/м²; 3 - (Es-Ed)/Ecp, %; 4 - Fs, км²/% от площади акватории; 5 - Fd, км²/% от площади акватории, 6 - уровень воды

Различия в величине теплопотерь на испарение с зоны «мелкой» Es и «глубокой» воды Ed по данным расчета модели в среднем за месяц приведены в табл. 2. и определяются особенностями метеорологических условий (табл. 3). Наибольшие значения интенсивности потерь тепла на испарение на мелководье характерны для наиболее теплого июля 1981 г. и достигают 155,8 Вт/м² в среднем за месяц. Соотношение площадей, занятых зонами «мелкой» и «глубокой» воды, зависит от положения уровня воды и скорости ветра. Доля площади мелководной зоны в среднем за месяц изменяется от 30,4 % акватории в сентябре 1973 г. при наименьшем среднемесячном уровне воды 123,57 м абс до 43,2% в мае 1984 г. с наибольшим значением среднемесячного уровня воды 124,08 м абс.

Таблица 3

Среднемесячные значения температуры воздуха и скорости ветра

Наименьшие различия в интенсивности затрат тепла на испарение с «мелкой» и «глубокой» воды характерны для относительно прохладного 1984 г. и их доля в величине средневзвешенного потока скрытого тепла в летний период в июле не превышает 12,1%, а в относительно теплом октябре составляет до 12,4%. В 1973 и 1981 гг. наибольшие различия в интенсивности затрат тепла на испарение с «мелкой» и «глубокой» воды характерны как раз для летнего периода, в особенности июля (наиболее теплого месяца) и достигают 13,1 и 13,9%, соответственно, по отношению к величине средневзвешенного потока скрытого тепла. Осенью различие интенсивности потоков уменьшается, особенно в 1973 г. - до 1,8% при среднемесячной температуре в октябре 2,6^оС.

Результаты расчета показали, что различия интенсивности потоков скрытого тепла с мелководной и глубоководной зоны Иваньковского водохранилища определяются как погодными условиями, так и положением уровня воды, несмотря на относительно небольшие его колебания в течение периода открытой воды, и изменяются в пределах от 1,8 до 13,9% по отношению к величине средневзвешенного потока скрытого тепла в зависимости от сезона и характерных метеорологических условий.

Работа выполнена в рамках темы госконтракта №П1394 и НОЦ «Мониторинг водных объектов и прогнозирование гидрологических процессов.

Библиографический список

1 Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. Водохранилища Верхней Волги. - Л.: Гидрометеоиздат,1975. 292 с.

2 Кадастр водохранилищ СССР. (Водохранилища объемом 50 млн м³ и более). - Л.,1971. Вып.1. 570 с.

3 Лоцманская карта Иваньковского водохранилища от г. Калинина до пр. Б.Волга - М.: Управление канала им. Москвы, 1967. 19 с.

4 Лыкосов В.Н. О проблеме замыкания моделей турбулентного пограничного слоя с помощью уравнений для кинетической энергии турбулентности и скорости её диссипации. //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1992. Т. 28. С. 696-704.

5 Монин А.С. Обухов А.М. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы. /Труды Геофизического института АН СССР. 1954. № 24 (151). C. 163-187.

6 Панин Г.Н., Насонов А.Е., Фокен Т. Испарение и теплообмен водоема с атмосферой при наличии мелководий. //Известия РАН, Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42. № 3. C. 367-383.

7 Пуклаков В.В. Гидрологическая модель водохранилища. Руководство для пользователей. - М.: ГЕОС. 1999. 96 с.

8 Степаненко В.М.. Численное моделирование взаимодействия атмосферы с водоемами суши. Автореф. дис…. канд. физ.-мат. наук. 2007. 159 с.

Размещено на Allbest.ru