Министерство образования российской Федерации
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА
Гидрофизики и гидропрогнозов
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему:
"Расчет изменения температуры воды по глубине в Онежском озере за июль 1983 г."
Выполнил:
Проверил:
Санкт-Петербург
Содержание
Введение............................................................................................................................ 3-4
Физико-географическое описание объекта.................................................................. 5-12
Существующие методы расчёта....................................................................................13-16
Данные наблюдений...........................................................................................................17
Результаты расчётов...........................................................................................................18
Заключение..........................................................................................................................21
Список литературы.............................................................................................................22
Приложения........................................................................................................................23
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 на северо-западе Европейской части Российской Федерации, расположено на территории Карелии, Ленинградской и Вологодской областей. Второе по величине озеро в Европе после Ладожского. Относится к бассейну Балтийского моря Атлантического океана. 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, Кондопога и Медвежьегорск. В Онежское озеро впадают 58 рек, а вытекает только одна — Свирь. 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.