人工湖对环境温度调节问题解答.doc

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1、人工湖对环境温度的调节问题蔡虹、赖志强、郭丽娜摘要：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。问题一是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。温度是重要的水质参数。水温的变化会影响水环境中各种物理、化学和生物过程。目前，湖模型的能量平衡方程大多采用以温度为预报变量的一维涡漩扩散方

2、程：，但此方程只处理只处理液态水的情形，故我们在处理问题一时，用焓代替温度作为预报变量。使用湖—气水热传输模型，但在此模型中，含有涡动热传导系数K(z),而对浅湖K(z)=0。故为优化此模型，使模型的预测值与实际相接近，我们把湖-气水热传输模型中的K(z)涡动热传导系数舍去不考虑。，并且结合傅立叶定律　dΦ=-λdA(dt/dz),得出湖水的导热规律以及温度随着深度的递减的变化规律。问题二中我们只考虑湖面吸收的热量，即深度z=0时的情况。湖面吸收的热量等于表面水体吸收的太阳热加上大气辐射热减去水面由于辐射、蒸发和传导引起的热损失。太阳对湖面的辐射一部分被表

3、层的水吸收，也有一部分由于湖水的光学现象反射出去。计算湖面吸收热量时应将反射出去的那一部分热量减掉。要考虑湖面温度对环境温度的影响，需求出湖面吸收的热量，用表示：。再根据所查阅资料，计算出每一个参数的值。从而可得出，湖面吸收的热量与湖的面积及空气温度的关系。这样就可判断人工湖对环境温室效应的影响。    关键词：人工湖导热系数湖热量平衡方程 一、问题重述由于水的比热容大，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

4、度增加减缓，达到减缓温室效应的良好作用。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，可以用湖热量平衡方程来表达和计算。由于湖热量平衡的某些要素(如湖蒸发率)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；对于深水湖来说，风的扰动只能涉及湖水上层，因而在垂向上会产

5、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，即使在浅水湖中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

6、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。请根据以上资料，完成以下问题：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）。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、湖通常指浅湖(水深在10m左

7、右)和深湖(水深远大于10m)一种水体，在此题中我们假设其为浅水湖。2、在湖的不同深度湖的横截面积都为同一数。3、由于我们处于南方地区，湖一般不结冰，仅在偶尔发生霜冻，故我们假设在湖中无结冰现象。即只考虑湖中只有水的情况。4、太阳辐射占进入湖面总的太阳辐射的百分比为β与湖的深度z呈指数递减。5、在考虑太阳发射出的太阳辐射能时，不考虑地球表面外围的大气层及其它因素的干扰。6、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。7、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、符号说明和约定Q：导热量：导热系数A

8、：湖面积T：湖温度h：水体的单位体积焓T：时间Z：距离湖面的深度（