ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 3, с. 214-221
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 551.34
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА РЕК
С ПОЙМЕННЫМИ ТАЛИКАМИ
© 2008 г. В. М. Михайлов
Северо-Восточная научно-исследовательская мерзлотная станция Института мерзлотоведения им. ПИ. Мельникова СО РАН Поступила в редакцию 22.01.2007 г. После исправления 27.08.2007 г.
Рассмотрены результаты расчетов теплового баланса речных вод, проведенные для пяти участков рек средних и высоких порядков, протекающих в горных территориях Северо-Востока Азии. Летом горные породы пойм обогреваются реками с постепенно убывающей интенсивностью, получая в итоге большие количества тепла, чем от дневной поверхности (не менее 70-100 МДж/м2). Следовательно, тепломассообмен с водотоками не только обусловливает формирование пойменных таликов, но и служит для них главным источником тепла. Осенью, еще при сравнительно высоких температурах речных вод, тепловой поток меняет знак, и талики начинают возвращать накопленное тепло рекам, что вызывает задержку ледовых явлений и формирование зимой систем полыней. Полученные результаты свидетельствуют о том, что вариации климатических условий по территории не могут играть существенную роль в распространении пойменных таликов либо влиять на их поперечные размеры и представляют интерес для смежных научных дисциплин.
ВВЕДЕНИЕ
Предыдущими исследованиями ([6, 8] и более ранние работы) было показано, что пойменные талики, не связанные с выходами подземных вод глубокой циркуляции либо с инфильтрацией речных вод, формируются вследствие интенсивного конвективного теплообмена с реками. Изучение сезонной динамики этого процесса необходимо для лучшего понимания особенностей термического режима таликов и закономерностей их территориального распространения. Тепломассообмен таликов с реками оказывает заметное влияние на ряд гидрологических и гидрогеологических процессов и явлений. Это "термические аномалии" в реках, подобные описанным П.Ф. Швецовым [15], формирование систем полыней "омолонского типа" (по A.C. Кузнецову [5]), ледотермический режим рек. Их связь с динамикой конвективного теплообмена в речных долинах также представляет интерес в ряде теоретических и прикладных аспектов.
Опубликованные ранее сведения [8] позволяют составить общее представление о сезонных вариациях конвективного теплообмена в долинах водотоков низких порядков, но так как подразделениями Гидрометеослужбы измерения температуры воды на них практически не ведутся, то в теплобалансовых расчетах были использованы данные натурных наблюдений. Вследствие чрезвычайно высокой динамичности исследуемого процесса и его сильной зависимости от целого комплекса гидрометеорологических условий полученные оценки характеризуют ограниченные временные интервалы. Кроме того, остается не-
ясным, допустима ли их экстраполяция на более крупные водотоки.
Цель настоящей работы - исследование основных закономерностей сезонной динамики конвективного теплообмена пойменных таликов с реками средних и высоких порядков путем расчетов теплового баланса речных вод на протяженных участках с использованием данных гидрометеорологических станций. Ранее аналогичный подход был использован в работе [6], но ввиду крайне недостаточного объема сведений о гидроморфологических характеристиках рек возможность проведения расчетов была ограничена одним участком и одним коротким периодом. Для расширения применимости этого метода было выполнено специальное исследование [10].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Общая схема вычислений, как и в работе [6], следующая: интенсивность теплообмена речных вод с вмещающими горными породами определяется методом последовательных приближений с тем, чтобы моделирование термического режима рассматриваемого участка реки давало результаты, совпадающие с данными наблюдений. Расчеты изменений температуры речных вод ведутся от одного узла слияния (устья очередного притока) к другому; в узлах предполагается мгновенное смешение воды. В вычислениях использованы средние многолетние значения необходимых характеристик, имеющиеся в климатических и гидрологических справочниках [11, 14],
Расчетные формулы. Уравнение теплового баланса участка реки длиной dx для рассматриваемых условий записывается в виде [3]
о М, (^) -С х * -»•
(1)
где х и г - соответственно расстояние по длине реки и время; О - расход воды в русле; Т - ее температура; 5 - площадь поперечного сечения русла; В - его ширина; С - объемная теплоемкость воды; X * - сумма всех тепловых потоков, определяющих температуру речных вод. Здесь и далее, кроме специально оговоренных случаев, размерности всех величин даны в СИ.
Сумма X * включает результирующую энергообмена на водной поверхности (*); тепло, выделяющееся вследствие диссипации кинетической энергии потока (д^); тепло, расходуемое на таяние твердых осадков (*т) и суммарный тепловой поток в горные породы (ду), являющийся искомой величиной. Тепловое влияние жидких осадков, а для крупных рек и рассредоточенного питания пренебрежимо мало (измеряется десятыми долями Вт/м2) [9]. Рабочая формула для расчетов приращений температуры воды в промежутках между узлами слияния следующая:
В Ах
Т - Т0 + СО
(+ *diss *т Я-2т)
Ах О Аг
(2)
(5 АТ + ТА 5).
Здесь и далее символ "А" означает конечное приращение соответствующей величины; индекс "О" -то, что характеристика относится к начальному створу отрезка Ах. В расчетных процедурах по формуле (2), осуществляемых специальной программой, шаг Ах назначался примерно равным ширине русла таким образом, чтобы расстояние до очередного узла было кратно длине шага.
Составляющие общеизвестны (например [12]):
* - 1-А) + 1а - ¡5 - Р - ЬВ•
(3)
где 5 - суммарная коротковолновая радиация; А -альбедо водной поверхности; ¡а и ¡5 - длинноволновое излучение, соответственно атмосферы и поверхности воды; Р - турбулентный перенос тепла; Ь - удельная теплота парообразования; В -интенсивность испарения (конденсации). Конкретные методики их расчета хорошо разработаны и подробно рассмотрены в работе [6].
Составляющая учитывается только в одной работе [16], хотя для рек горных территорий она большую часть теплого сезона превосходит (по абсолютной величине) кондуктивный тепло-
вой поток в грунт. Она определяется как произведение ру/УЯ, где р - плотность воды; у - ускорение свободного падения; I - уклон потока; V и Я -средние значения его скорости и глубины соответственно. Ввиду неодинаковой точности определения различных гидрологических и гидроморфологических характеристик для вычислений целесообразнее использовать формулу = = ру/О/В. Наконец, величина *т оценивается выражением *т = Ьтр/п, где Ьт - удельная теплота плавления льда; р - месячная сумма твердых осадков в мм; п - число секунд в месяце.
Участки рек и расчетный период. Для тепло-балансовых расчетов наилучшим образом подходят отрезки рек, заключенные между двумя пунктами, в которых осуществляется полный объем гидрологических и метеорологических наблюдений. Необходимо, разумеется, чтобы на всем участке, или хотя бы на большей его части, река имела пойменный талик (маркируемый разветвленным руслом и тополево-чозениевыми либо смешанными древостоями). Несмотря на довольно густую наблюдательную сеть и обилие ветвящихся рек, оба эти условия в полной мере выполняются только для одного из выбранных участков, поэтому недостаток данных восполнялся с использованием интерполяций и различного рода эмпирических зависимостей.
Общие сведения об участках приведены в табл. 1. Первые два расположены на крупнейших реках Северо-Востока Азии, в их среднем течении; три последних - в бассейне Верхней Колымы (рисунок). Все они принадлежат к субарктическому поясу с суровым и резко континентальным климатом; при этом летние характеристики, наиболее значимые для целей исследования, варьируют в узких пределах: так, в июле средняя температура воздуха изменяется от 13.7°С в Марково до 15.6°С в Сеймчане, а суммарная солнечная радиация в этих пунктах отличается лишь на 1.5%.
Практически на всем протяжении выбранных участков реки имеют ветвящиеся русла и обширные поймы, покрытые смешанными лесами. Исключение составляет р. Дебин, которая на двух отрезках (в общей сложности почти 1/3 участка) находится в стадии глубинной эрозии и протекает в долине, лишенной аккумулятивной поймы. Для этих отрезков конвективный тепловой обмен с горными породами в вычислительных процедурах задавался равным нулю. Таким образом, конечный результат, величина на этой реке характеризует только отрезки с развитием пойменных таликов.
Поскольку в мае и октябре на реках Северо-Востока Азии широко развиты ледовые явления, воздействие которых на термический режим речных вод значительно, а количественные сведения о динамике таяния (образования) льда отсутству-
Расположение исследуемых участков (кружки) и гидрологических постов (треугольники). Участки рек: 1 - Колыма; 2 - Анадырь; 3 - Берелех; 4 - Детрин; 5 - Дебин. Гидрологические посты: Б - пос. Балыгычан; Ср - г. Среднеколымск; М - пос. Марково; Сн - свх. Снежное; О - пос. Оймякон; Д - пос. Дружина.
ют, то расчетный период ограничен четырьмя месяцами. В вычислениях использованы среднемесячные значения летних характеристик и сред-недекадные за сентябрь. Последние, кроме температур воды, получены путем интерполяции (по сглаженным кривым сезонных изменений). В этом месяце, представляющем особый интерес для целей исследования, наблюдается монотонное убывание всех величин, сколько-нибудь существенно влияющих на температуру воды, поэтому подобный прием не может приводить к зна-
чительным погрешностям. Для летних месяцев он некорректен, так как на них приходятся максимумы расходов воды (июнь) и ее температур (июль), а также ряда метеорологических характеристик, тогда как сведения о соответствующих среднеде-кадных значениях отсутствуют.
Гидрометеорологические данные. Как видно из табл. 1, всей необходимой информацией обеспечен только участок на р. Детрин. В остальных случаях недостающие данные были получены следующим образом.
Таблица 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.