Испарение с водной поверхности водоема по данным наблюдений и расчета
Во введении курсового проекта студенту необходимо осветить вопрос о практическом значении изучения проблемы испарения с водной поверхности вообще и для исследуемого водоема в частности, а также сформулировать основную задачу, поставленную в курсовом проекте. Затем надо описать объект исследования, привести при этом все необходимые сведения о районе расположения водоема, а также о тех характеристиках водоема, которые оказывают влияние на режим испарения с его водной поверхности (например, защищенность берегов от ветра, водная растительность, глубина водоема, распределение температуры поверхности воды по водоему и т.п., если такие данные имеются).
При описании климатических условий района следует привести за расчетный период (безледоставный период года) все имеющиеся данные о ходе метеорологических элементов, оказывающих влияние на интенсивность испарения с поверхности водоема (температура воздуха, скорость ветра, абсолютная влажность и др.). Режим изменения значений метеорологических элементов во времени для наглядности надо представить графически (в виде совмещенного хронологического графика).
В курсовом проекте важно подробным образом описать пункты наблюдений (их месторасположение, тип), указать программу работ на них и методику выполнения наблюдений (приборы, особенности их установки, сроки наблюдений), изложить и проанализировать методы расчета испарения. Расчет величины испарения с поверхности водоема должен быть выполнен по ряду формул (методов), наиболее часто применяемых на практике. Большинство эмпирических формул для определения величины испарения с водной поверхности основано на соотношении Дальтона, которое имеет вид
, (1)
где Е – слой испарившейся воды; 
– коэффициент пропорциональности, зависящий в основном от скорости ветра; 
– давление насыщенного водяного пара при температуре испаряющей поверхности воды; 
– парциальное давление водяного пара на высоте 2 м.
Для определения значения , которое в первую очередь зависит от скорости ветра, существует много эмпирических формул, полученных разными авторами на основе обобщения результатов лабораторных или полевых экспериментов. Однако эти формулы не учитывают все факторы, влияющие на испарение, и в силу этого дают различные результаты.
К формулам, основанным на законе Дальтона, относятся широко известные расчетные формулы В.К. Давыдова, Б.Д. Зайкова, ГГИ, А.П. Браславского и др. Эти формулы и сведения об условиях их использования и примеры расчета приводятся в ряде учебных пособий, в частности, в работе [8].
Испарение с водоема изучается за теплый (безледоставный) период одного года. Значения испарения рассчитываются за каждый месяц этого периода по трем-четырем эмпирическим формулам, наиболее часто применяемым на практике [4, с. 318 – 334]. Для того, чтобы проводить расчеты по этим формулам необходимо знать температуру поверхности воды, а также температуру и влажность воздуха и скорость ветра, измеренные непосредственно над водной поверхностью. Эти условия могут быть выполнены, если ведутся наблюдения по приборам, установленным на плоту в водоеме, для которого изучается испарение. В этом случае, при работе с формулами, используются средние за расчетный интервал времени (месяц или декада) значения температуры поверхности воды и воздуха, влажности воздуха и скорости ветра, приведенной к уровню 2 м над испаряющей поверхностью, по формуле (1.20) из работы [7, с. 16]. Однако такие наблюдения ведутся только в случае выполнения специальных исследований. Поэтому приходится использовать данные наблюдений на береговых (континентальных) метеостанциях и, следовательно, задача расчета испарения с поверхности водоема несколько усложняется. Для ее решения следует обратиться к работе [7], где необходимо ознакомиться со способами определения температуры поверхности воды в разделе «Термика водоемов и водотоков» (с. 36 – 50). Внимательное изучение сс. 15 – 18, 84 – 93 позволит научиться определять скорость ветра, а также температуру и влажность воздуха над поверхностью водоема, используя данные наблюдений на береговой метеостанции.
Следует иметь в виду, что если в расчетных формулах, например в формуле А.Р. Константинова, предусматривается использование значения скорости ветра на высоте 1 м над испаряющей поверхностью, то для перехода от значений скорости ветра, измеренных на высоте флюгера ( 
), к значениям скорости ветра на высоте, требуемой формулой, надо пользоваться логарифмическим законом, устанавливающим соотношение между значениями скоростей на двух высотах:
, (2)
где w – скорость ветра на высоте z
Источник
Расчет испарения по эмпирическим формулам
Развитие в СССР крупного гидротехнического и мелиоративного строительства стимулировало разработку эмпирических формул для расчета слоя испарившейся воды. В настоящее время таких формул разработано большое число, но почти все они имеют структуру, предложенную еще Дальтоном(1802 г.):
где ε0-коэффициент, зависящий от скорости ветра. Большое число формул такого типа связано в основном с предложениям и по определению ветрового коэффициента ε0. В настоящее время наибольшей известностью пользуются формулы В.К. Давыдова, Б.Д. Зайкова, А.П. Браславского и З.А. Викулиной, А.П. Браславского и С.Н. Нургалиева.
Проверка точности различных формул по оценке испарения с водной поверхности, проведенная в Государственном гидрологическом институте Б.И. Кузнецовым, В.С. Голубевым и Т.Г. Федоровой, показала, что наиболее оптимальной является формула:
Где u2 — скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды;
Е — слой испарившейся воды, мм/сут.;
e0 и е2 — давление насыщенного водяного пара и парциальное давление водяного пара, гПа.
Эта формула рекомендуется Указаниями для расчета испарения с поверхности водоемов в условиях равновесной стратификации атмосферы в приводном слое т. е. когда разность значений температуры воды и воз когда разность значе-духа не превышает 4 С. При наличии неравновесных условий в приводном слое в рассчитывать испарение по воздуха необходимо 330 формуле В.А. Рымши и Р.В. Донченко либо по формуле А.П. Браславского и С.Н. Нургалиева.
Значения испарения, вычисленные по формулам различных авторов при штилевой обстановке, значительно различаются. Это объясняется тем, что при скоростях ветра до 2 м/с, и особенно при штиле, на рассматриваемый процесс существенное влияние оказывает вертикальный конвективный воздухообмен над испаряющей поверхностью. Чем больше разность температуры испаряющей поверхности и воздуха, тем интенсивнее протекает воздухообмен, а следовательно, и более интенсивно осуществляется отвод паров от водной поверхности в вышерасположенные слои атмосферы.
Учет влияния неустойчивости атмосферы над водной поверхностью на испарение впервые был осуществлен в 1936 г. в ледо-термической лаборатории ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева Б.В. Проскуряковым, затем в работе М.И. Будыко «Испарение в естественных условиях» (1948 г.), а в натурных условиях при изучении теплопотерь с полыньи В.А. Рымшей и Р.В. Донченко (1958 г.), при изучении испарения с водоемов А.П. Браславским и С.Н.Нургалиевым (1966 г.), Л.Г. Шуляковским (1969 г.), а также теоретическим путем А.Р. Константиновым (1968 г.). Дальнейшие исследования показали, что интенсивность испарения прямо пропорциональна разности температуры воды и воздуха не только в штилевых условиях, но и при слабом ветре. Поэтому появился ряд формул уточненных введением еще одного слагаемого, зависящего от разности температуры испаряющей поверхности воды и воздуха на высоте 2 м. Введением этой характеристики учитывается скорость отвода водяных паров от испаряющей поверхности в атмосферу. Эти формулы имеют следующий вид:
1) В.А. Рымши и Р.В. Донченко:
где k1= f1 (Δθ) — коэффициент, зависящий от разности температуры поверхности воды и воздуха на высоте 2 м (tп-θ2), заданный в табличной форме .Эта формула рекомендуется для расчета испарения с незамерзающих водоемов;
2) Л.Г. Шуляковского:
3) А.Р. Константинова:
4) А.П. Браславского и С.Н. Нургалиева:
где k2=f2(Δθ)- функция, зависящая от разности температуры поверхности воды и воздуха на высоте 2 м (tп-t2), определяется по специальной таблице.
Последняя формула в настоящее время включена в рекомендации по термическому расчету водохранилищ.
Примером эмпирической формулы другого типа, чем приведенные выше, является формула Н. Н. Иванова:
где Е — слой испарившейся воды, мм/мес;
θ2 и r2 —средние месячные температура и относительная влажность воздуха.
Эта формула дает менее точные значения испарения, так как относительная влажность отражает дефицит насыщения на высоте 2 м над поверхностью воды, а не дефицит насыщения, вычисленный как разность между давлением насыщенного водяного пара при температуре испаряющей поверхности и парциальным давлением водяного пара в воздухе на высоте 2м. Поэтому эта формула может быть применена только в приближенных расчетах.
Чтобы рассчитать испарение по приведенным выше формулам, необходимо знать температуру, влажность воздуха и скорость ветра, измеренные непосредственно над поверхностью водоема. Таких наблюдений, за редким исключением, не имеется. Поэтому для расчета испарения по приведенным формулам используют данные о состоянии воздушной массы, полученные на континентальных метеостанциях, но с учетом её трансформации при переходе с суши на водную поверхность. Эти вопросы подробно исследованы в работах М.П. Тимофеева, А.Р. Константинова, А.П. Браславского и 3.А. Викулиной и др. ученых. Чтобы использовать данные континентальных метеостанций, их корректируют введением коэффициентов:
1)скорость ветра водоема w2 корректируется введением сразу трехкоэффициентов, т.е.
где k1, k2, k3 — коэффициенты, учитывающие соответственно степень защищенности метеорологической станции на суше, характер рельефа в пункте наблюдений и среднюю длину разгона воздушного потока над водной поверхностью водоема; uф— скорость ветра на высоте флюгера;
2) парциальное давление водяного пара на высоте 2 м над поверхностью водоема рассчитывается следующим образом:
где е’2 — парциальное давление водяного пара, измеренное на высоте 2 м на континентальной метеостанции; е0 — давление насыщенного водяного пара, определенное по температуре поверхности воды; М -коэффициент трансформации, учитывающий изменение влажности и температуры воздуха в зависимости от размера водоема;
3) температура воздуха на высоте 2 м над поверхностью водоема уточняется аналогично парциальному давлению водяного пара:
где θ’2 — температура воздуха на высоте 2 м на континентальной метеостанции, tп — температура поверхности воды;
4) температура поверхности воды назначается на основе натурных наблюдений за предыдущие годы на данном водоеме, водоеме-аналоге или рассчитывается с использованием метода теплового баланса.
Источник
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРУДОВ
Пруд-испаритель
Пруд-испаритель представляет собой обособленный тип хозяйственных прудов. Основным назначением такого пруда является аккумуляция поступающего стока и его технологическое выдерживание в пределах определенного времени. В течение этого срока в пруду происходит постепенное естественное испарение воды с водного зеркала в атмосферу. Таким способом решается основная задача пруда-испарителя — утилизация (ликвидация) поступающего в него стока.
Различные географические регионы характеризуются разными величинами осадков (дождевых и талых) и испарения. Это обусловлено фактическими климатическими условиями. В связи с самим характером режима эксплуатации пруды-испарители могут быть размещены исключительно в регионах с засушливым климатом, т.е. там, где объём испарения превышает объём осадков. Чем больше разница между расчетным слоем испарений и расчетным слоем осадков, тем выше будет эффективность утилизации поступающего стока. И тем меньшими оказываются необходимые проектные размеры пруда в плане и его глубина . В указанных условиях особую важность при проектировании пруда-испарителя приобретает точность исходных данных, предоставляемых инженерно-гидрометеорологическими изысканиями. На результатах данного вида изысканий (а именно — величине испарения со свободной поверхности воды) основывается выполняемый в проектной документации расчёт водного баланса :
ИСПАРЕНИЯ ≥ СТОК + ОСАДКИ
Важнейшим конкурентным преимуществом прудов-испарителей является отсутствие необходимости в присутствии на территории проектируемого объекта какого-либо естественного водотока, используемого для окончательного сброса стока. По этой причине пруды-испарители нашли свое основное применение при решении задач отвода поверхностного стока в условиях, когда отсутствует или природный водоток, или приёмная канализационная сеть. Исторически такие пруды получили применение в следующих областях:
– на животноводческих предприятиях;
– в сельском хозяйстве при отводе дренажного стока от гидромелиоративных систем;
– для полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных отходов промышленных предприятий.
Пруд-испаритель полигона для захоронения токсичных отходов
В последнее время пруды-испарители нашли новое применение — они начали использоваться для приёма очищенного поверхностного стока (после ЛОС) с селитебных территорий. Это стало результатом общего ужесточения требований по очистке и сбросу поверхностных вод в пределах городских территорий. По указанным выше причинам применение прудов-испарителей для приёма дождевого стока возможно только для городов, расположенных в районах с дефицитом влажности воздуха.
Конструкция прудов-испарителей зависит от области применения. В случае, если проектируемый пруд-испаритель предназначен для приёма условно чистого стока, то отсутствует необходимость в выполнении гидроизоляции дна и откосов. Это связано с тем, что для такого пруда допускается и даже желательно наличие фильтрации части воды в естественное основание. В связи с этим становится возможным существенно упростить крепление дна и откосов, или вовсе исключить его. Если же пруд-испаритель служит для приёма вредных или токсичных стоков, то ситуация обратная, и к конструкции дна и откосов предъявляются высокие требования по обеспечению гидроизоляции.
В прошлом необходимая степень гидроизоляции в основном достигалась глиняным экраном — однослойным или двухслойным (с промежуточным дренажным слоем). В настоящее время вместо глины как правило применяется геомембрана, представляющая собой искусственную плёнку определённой толщины. Для геомембраны сейчас применяется четыре основных материала, каждый из которых обладает определёнными технологическими и эксплуатационными преимуществами и недостатками (в т.ч. и стоимостными):
– полиэтилен низкого давления (HDPE);
– поливинилхлорид (PVC);
– бутилкаучук (EPDM);
– полиолефин термопластичный (ТПО).
Источник