水体热平衡及温度变化

根据热量平衡原理，对于某一水体一定时段内吸收蓄存增加的热量，应等于该时段内同大气热交换的净增热量、随水流迁移输入的净增热量、同河床热交换净增热量、人类活动净增热量和水体内部能量转化产生的净增热量之和。增量为正时，表示该时段水体内热量增加，水温增高；反之，表示该时段水体热量减少，水温降低。通过逐时段的热量平衡计算，即可根据初始条件和边界条件预测水体的热量变化过程和水温变化过程。自然情况下，影响水温变化的热交换基本为前两项或前三项，后者常可忽略不计。

1.同大气的热交换

通过大气界面发生热量交换是天然水体获得热量和散失热量的最主要过程。这个过程包括辐射、蒸发和传导三种形式。

（1）辐射。凡具有一定温度的物质，都会以短波或长波的形式向四周散射热能。水体一方面接收辐射热，同时也放出辐射热，其情况有：①太阳辐射，以短波辐射的形式通过地球大气层直接传播到水面，但在传播过程中，若遇云层、水汽、尘埃等，则可能部分被吸收，达到水面的短波辐射，还将被水面反射一部分到大气中去，剩余的才被水体吸收，加热水体，反射部分与入射角有关，在我国一般小于入射量的10%；②大气辐射，大气以长波辐射的形式向水面与地面辐射热能，其强度取决于气温的高低，大气长波辐射绝大部分可被水体吸收，约有3%被水面反射到大气中；③水面辐射，以长波辐射的形式向大气散射热能，引起水体的热能损耗。

（2）蒸发。蒸发是液体表面的水由液态变为气态迁移到空气中的净速率。水面蒸发时，将从水中吸收热能（蒸发潜热），使水温降低。

（3）热传导。气温与水温存在差别时，可通过热传导形式使空气与水体间发生热量交换。气温高于水温时，热量从空气传入水体；反之，则由水体传入空气。

这三种形式的热交换量计算比较复杂，于后面进一步论述。

2.随水量迁移的热交换

流入、流出水体的水量本身都挟带有一定的热量，其大小按下式计算(www.xing528.com)

式中：φQ为流入或流出水体的热量，J；Q为流入或流出水体的流量，m3／s；Δt为时段长，s；T为流量Q的温度，℃；ρ为水的密度，kg／m3；Cp为水的比热，水温17～70℃时，约为4187J／（kg·℃）。

3.同河床的热量交换

与河床的热交换是通过固体边界的热传导进行的。因为土壤的导热能力差和温度在土壤中的梯度小，热交换量很小，一般可忽略不计。

4.内部产生的热

水体中产生的内部热主要来自两种因素：一是水的势能转换为摩擦热；再是物质中的化学能经生化作用释放出热能，两者通常都非常之小，可以不计。

5.人类活动的热排放

人类活动的影响，主要是火力发电厂、冶炼厂等冷却水的排放，对于某些水体可能造成热污染。其排放热量按式（5-1）计算。

以上热交换过程中，对水体温度变化影响最大的是同大气的热交换，下面专门讨论。