人工湖温度对环境温度的影响_李树林[1]

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1、人工湖对环境温度调节问题摘要：本文研究了人工湖对环境温度调节问题的分析模型，将对水温问题转化为湖水对湖水中热量问题。再对影响湖水中能量各种因素进行分析，得到一系列有关湖水热量的方程，因此建立了两个微分方程模型。并且得出对不同面积、深度和浑浊度的人工湖的导热规律及湖水温度随着深度的递减的变化规律，其湖面温度对环境温度的温室效应产生的影响。模型一：（1）首先对导热规律的研究，可分为多因子影响下的变化规律。得出了太阳光辐射量与湖水杂质量之间的函数关系式、水温与湖水热量的函数关系式、水温与湖水密度之间的关系、各层分界的式子以及

2、深度与热量之间的关系式、湖水蒸发从水面失去的热流的关系式、湖水在单位时间接受太阳辐射的线性方程。根据式子建立微分方程模型并用MATLAB求解。（2）其次考虑其深度与温度的关系，由于温度随深度连续变化，而且这又是一个无缘场，故运用拉普拉斯方程，建立深度与温度的变化规律，再根据不同的边界条件来求解。模型二：要分析湖面温度对环境温度的温室效应产生的影响，根据白天和晚上阳光吸热的多方面的差异比较大，将浅水层与大气热量交换分为二段，有太阳光照射阶段（白天）、日落之后（夜里）两个阶段。考虑湖面与大气交换的热量和湖中微生物所带来的热

3、量两方面因素对环境温度的温室效应产生的影响，可借用模型一中方程加上主控方程建立湖泊热量平衡方程。然后再通过建立微分方程模型计算可分别得到白天和夜里的湖水单位面积能量ΔS，再对环境所产生的效应进行分析。最后通过对结果的分析，同时结合实际情况，本报告提出了一些有关人工湖对环境调节的一些参考性意见与建议，以期为环保部门提供较为科学的决策依据。关键字：微分方程导热规律拉普拉斯方程热量平衡方程11一、问题重述1.1实际背景水的比热容大，能吸收更多热量，因此人工湖可以降低环境温度。另外，人工湖周边的绿地除了可以覆盖荒芜地面与水泥地

4、面，从而增加该地面的比热容，还能进行光和作用，吸收温室气体CO2，加上水能释放氧气，使得环境温度增加减缓，达到减缓温室效应的良好作用。1.2问题背景人工湖面吸收太阳能后获得热量，再通过水面蒸发、水面有效辐射和水面与大气的对流热交换等失去热量。热量的输送和交换，可以用湖泊热量平衡方程来表达和计算。由于湖泊热量平衡的某些要素(如湖泊蒸发率)不易精确测定，因而通常用水温来表达湖中的热动态。太阳辐射主要是增高湖水表层的温度，而下层湖水的温度变化主要是湖水对流和紊动混合造成的。湖水因温度不同也可造成密度差异，在水层不稳定状态下产

5、生对流循环，在对流循环达到的深度以上，水温趋于一致。风的扰动可使人工湖在任何季节产生同温现象；对于深水湖泊来说，风的扰动只能涉及湖水上层，因而在垂向上会产生上层与下层不同的温度分布。上、下水层之间温度变化急剧的中间层称为温跃层。湖水温度具有一定的年变化和日变化，这种变化在湖水表层最为明显，随着深度的增加而减弱。湖水的辐射特性决定湖水温度，影响湖水物理化学性质的分布，而湖水中各种生物的繁殖、生长和发展也都与湖水辐射特性有关。射在湖面的太阳光部分进入水体，部分被反射。进入水体内的太阳光部分被吸收，部分散射，即使在浅水湖泊中

6、也只有很少一部分透过水层被湖底吸收。射入湖水中的太阳光极大部分为水的最上层所吸收，只有1～30％达到1米深处的水层，透入5米深处的只有0～5％，而进入10米深处的不足1％。湖水吸收太阳光和使太阳光散射的能力与水中的各种悬浮质的数量和颗粒大小有关，悬浮质越多、颗粒越大，对光的吸收和散射能力越强，同时散射到水面的分量也越小。光线透入水中的深度，随湖水的混浊度增加而减少(参见湖水光学现象)，例如：在浑浊不清的湖水中光线只能深入数米。1.3问题提出问题1.根据适当的假设，对不同面积和深度的人工湖，建立数学模型，分析导热规律（分

7、为清澈的湖水和有混浊度的湖水）及湖水温度随着深度的递减的变化规律（湖水的导热系数自行查阅）。问题2.解释并计算对于不同面积和深度的人工湖，其湖面温度对环境温度的温室效应产生的影响。二、模型假设1.假设人工湖各深度截面面积相等。2.假设人工湖各处的深度相等。3.假设人工湖的支流或从水源带来的热量忽略不计。4.假设地面径流和地下径流带走的热量忽略不计。5.在应用能量平衡方程计算进入湖面的热能量时，不考虑降水带来的热能。116.在分析讨论各种变量之间的关系时，不考虑大灾难对其造成的影响，如暴风雨、干旱等。三、符号说明符号表示

8、的意义水的比热容；湖面面积湖水吸收的太阳光波辐射湖水吸收的大气逆辐射湖水水波辐射耗热量湖水蓄热变量水体温度湖水密度光学衰减系数人工湖深度湖水蒸发失去的热流湖水蒸发潜热太阳光的吸收度11四、问题分析2.1问题一要根据不同人工湖的情况分析其导热规律以及湖水温度随着深度的递减的变化规律。因为风的吹动会引起湖水的波动，从而影响水温的传递速