Физика вод суши by Винников С.Д., Викторова Н.В. (z-lib.org)

вещены в работах А.Р. Константинова, Л.Р. Струзера, С.М. Алпатьева, B.C. Мезенцева, К.И. Харченко, А.И. Будаговского и др.

Условия применения названных методов расчета испарения изложены в Рекомендациях по расчету испарения с поверхности суши [47]. Использование для расчета того или иного метода зависит от наличия исходных данных и точности получаемых результатов.

Первым наиболее значительным теоретическим исследова­ нием испарения с почвы (испарения из капилляра) является работа И. Стефана (1871 г.). Он получил следующую формулу для расче­ та интенсивности испарения жидкости из капилляра:

где D P = D \ x/(R cT) - коэффициент пропорциональности; D - ко­

эффициент диффузии паров жидкости в воздухе при абсолютной температуре Т и атмосферном давлении

между результатами опытов и расчетов,

выполненных по этой формуле.

Для тех случаев, когда перепад парциальных давлений пара относительно мал, а атмосферное давление Рб значительно больше Pi, формула (9.45) может быть сведена к обычному уравнению диффузии для расчета интенсивности испарения с капилляра на уровне 1 = 0:

(9.46)

341

В настоящее время широкое распространение получили ме­ тоды расчета испарения с поверхности суши, основанные на его связи с испаряемостью, осадками и другими элементами водного баланса. К ним следует отнести, например, формулы Э.М. Ольдекопа, Р. Шрейбера, М.И. Будыко, B.C. Мезенцева, В.И. Бабкина и других авторов.

М.И. Будыко, обобщив формулы Шрейбера и Ольдекопа,

мально возможное испарение в данной местности при сущест­

гдеX - осадки; А: - коэффициент недоучета осадков,измеряемых

с помощью осадкомера; Wx и W2 - влагозапасы метрового слоя почвы на начало и конец периода, для которого вычисляется испа­

(формула 9.31) на длину расчетного интервала времени; Qn р + qp

- суммарная солнечная радиация; AS - изменение запасов влаги в бассейне; а и а' -коэффициенты общего и поверхностного стока.

3 4 2

В связи с отсутствием достаточно полных и обоснованных теоретических методов расчета испарения воды с просыхающей почвы разработан ряд эмпирических зависимостей. Из этих зави­ симостей наибольшее распространение получила формула С.Ф. Аверьянова:

температура воздуха; п - коэффициент, зависящий от типа почв. Формула (9.50) применяется для расчетов испарения при

сравнительно продолжительных бездождных периодах. Для слу­ чая выпадения осадков в рассматриваемый период А.И, Будаговский рекомендует применять следующую формулу:

влажность почвы; Wp- влажность разрыва капиллярной связи, при

которой прекращается восходящее движение подвешенной воды. Суммарное испарение почвенной влаги может быть опреде­

лено также с помощью методов водного и теплового балансов. Наибольшее распространение в практике получили ком­

плексные схемы расчета испарения. Согласно М.И. Будыко,

во-грунтов; W - критическая продуктивная влажность почвы, при

которой испарение принимается равным испаряемости. В.Г. Анд­ реянов предложил более полную структуру формулы комплексного метода:

где кХ - доля атмосферных осадков, испаряющихся со смоченных поверхностей растительного покрова и почвы; WH - наименьшая

343

продуктивная влагоемкость почвы. Практические рекомендации по применению расчетных методов для определения испарения с различных видов поверхности суши (с неорошаемых и орошаемых сельскохозяйственных полей, леса, болот и др.) излагаются в спе­ циальном курсе. Эти методы также детально изложены в Рекомен­ дациях по расчету испарения с поверхности суши [47].

Для расчета суммарного испарения также разработано много эмпирических формул. Примером может являтся формула С.И. Харченко, полученная на основании обобщения материалов ли­ зиметрических наблюдений:

где т - параметр, зависящий от фаз развития растений и водно­ физических свойств почвы. Параметр т получен для бездождных периодов, его значения приведены в табл. 9.3.

9.5. Измерение испарения с поверхности воды, снежного покрова и почвы

Наблюдение (измерение) за испарением с помощью прибо­ ров с различных поверхностей земли регламентируется Наставле­ ниями Госкомгидромета [33, 52]. Они устанавливают основные принципы организации и методику производства наблюдений, а также методы контроля и обработки результатов измерений. На­ блюдения осуществляются на гидрологических станциях, распо­ ложенных в наиболее типичных природно-климатических зонах страны. Цель наблюдений - изучение режима испарения с различ­ ных поверхностей и получение оперативных данных, а также ре­ шение различных водохозяйственных задач.

3 4 4

Измерение испарения с помощью приборов относят к экспе­ риментальному методу его исследования. Его также называют ме­ тодом испарителей.

Измерение испарения с поверхности воды. В данном слу­ чае под поверхностью воды понимают прежде всего водную по­ верхность крупных водоемов: водохранилищ, озер, морей. Более точные результаты об испарении с этих поверхностей можно по­ лучить, если соответствующие приборы разместить на плавучих площадках (плотах) - рис. 9.3. Но такие наблюдения осуществлять сложно в связи с их плохой доступностью. Поэтому наблюдения за испарением ведут по приборам, установленным на континенталь­ ной (береговой) метеостанции, а результаты измерений затем с учетом переходных коэффициентов пересчитывают к значению испарения с водной поверхности крупного объекта. Для характе­ ристики испарения с водной поверхности этих водоемов на терри­ тории РФ создана сеть водно-испарительных площадок, оборудо­ ванных стандартными сетевым испаромером ГГИ-3000 и эталон­ ным водно-испарительным бассейном площадью 20 м2 и глубиной 2 м. Водно-испарительные площадки, на которых осуществляется постановка специальных тематических исследований, оснащаются еще испарительным бассейном площадью 100 м2.

Рис. 9.3. Плот с испарителями и метеобудкой на озере в г. Валдае

345

Испарение между сроками наблюдений по испаромеру вы­ числяется как разность между уровнями воды в нем в предыдущий и текущий сроки наблюдений плюс слой осадков за период на­ блюдений. Чтобы воспользоваться данными наблюдений по испа­ ромеру для определения испарения с изучаемого водоема, необхо­ димо эти данные откорректировать поправочным коэффициентом. Так, например, расчетное уравнение перехода от показаний при­ бора к испарению с поверхности водоемов площадью до 1000 км2,

где Е и Е 0 j - месячные нормы испарения соответственно с по­

верхности водоема и испаромера ГГИ-3000, мм/мес.; /?ф и тдн-

полуденная высота солнца (градус) и продолжительность дня (ч) i

от восхода до захода солнца на 15-е число месяца; Дй№ и Дтд„ - изменение полуденной высоты солнца (градус) и продолжительно­

парительному бассейну площадью 20 м2, расположенному вблизи изучаемого водоема, А.Р. Константинов [23] рекомендует выпол­ нять расчет испарения с водоемов площадью до 40 км2 по формуле

где кн - коэффициент, характеризующий влияние глубины водоема на испарение (он изменяется от 1 до 0,92 и определяется по специ­ ально составленной таблице в зависимости от глубины водоема и зоны, в которой он находится); к3йщ - коэффициент, характеризую­ щий защищенность водоема от ветра берегами, лесом, строениями и другими препятствиями (он изменяется от 0,96 до 0,51 и находится в зависимости от отношения средней высоты препятствий к средней длине разгона воздушного потока); р - коэффициент, характери­ зующий влияние площади водоема Q на испарение (определяется для тундровой, лесной и лесостепной зон по табл. 9.4, а для осталь­ ных зон принимается равным единице); Е 20 - слой испарившейся воды в испарительном бассейне площадью 20 м2.

346

В комплект иепаромера ГТИ-3000 входят (рис. 9.4) собст­ венно испаритель, дождемер, измерительные приспособления: объемная бюретка, измерительная трубка, дождемерный стакан.

| Объемная бюретка и измерительная трубка выступают как при­ способления, позволяющие повысить точность измерения слоя испарившейся воды в испарителе с точностью до 0,1 мм.

Рис. 9.4. Испаритель в разрезе (а), объемная бюретка ( 6 ), измерительная трубка (в).

Испаритель представляет собой цилиндрический бак с кону­ сообразным дном. Площадь поперечного сечения бака равна 3000 см2, высота 60 см. В центре бака находится реперная трубка с иг­ лой, на которую устанавливается объемная бюретка. Бюретка - специальный цилиндрический стакан высотой 6 см и сечением 20 см2 имеет сбоку перекрывающееся отверстие для поступления

внее воды испарителя. Измерительная трубка, протарированная

впаре с бюреткой, служит для измерения объема этой воды. Цена деления трубки соответствует 0,1 мм слоя воды в бюретке.

Так как в основе измерения испарения с водной поверхности лежит уравнение водного баланса

где X - слой выпавших осадков за период измерения испарения Ат; АН - изменение уровня воды в испарителе за этот же период,

347

то нам следует еще измерить выпавшие осадки X. Они измеряются с помощью дождемера таких же размеров, как и испаритель, а ус­ танавливается он вблизи испарителя (вкапывается, как и испари­ тель, заподлицо с поверхностью земли). В верхней части дождеме­ ра устанавливается воронка для сбора осадков и подачи их в осад­ комерное ведро, находящееся под воронкой. Собранные осадки измеряются дождемерным стаканом.

Пересчет результатов измерения испарения с водной по­ верхности по испарителю ГГИ-3 ООО на значения испарения с по­ верхности крупного водоема осуществляется по формуле (9.55) либо по приближенной формуле

где R = Е 20 / Ешю - редукционный коэффициент, значения которо­ го с севера на юг убывают от 1,04 до 0,78.

В настоящее время ведутся исследования по внедрению в действие нового водного испарителя так называемого теплоизо­ лированного испарителя. Он отличается от испарителя ГГИ-3000 тем, что его корпус изолирован от окружающей среды с целью ис­ ключения погрешности в измерениях в зависимости от теплообме­ на через его стенку. Следующим отличием является то, что он не вкапывается в землю, как испаритель ГГИ-3000, а устанавливается на поверхности земли.

Измерение испарения с поверхности снежного покрова. Наблюдения за испарением (возгонкой) с поверхности снежного покрова осуществляют на снегоиспарительных площадках, распо­ ложенных на ровном открытом месте и вблизи метеостанции. Ве­ личина значения испарения со снега устанавливается при помощи весового испарителя ГР-66 (ГГИ-500-6). С целью получения дос­ товерных значений об испарении и выполнения для этого анализа данных на испарительных площадках одновременно ведутся на­ блюдения за высотой снежного покрова по постоянным рейкам, за его плотностью, скоростью ветра, температурой и влажностью воз­ духа и температурой поверхности снега.

Испаритель ГГИ-500-6 представляет собой цилиндр площа­ дью 500 см2 и высотой 6 см. Он имеет съемное дно и крышку. Ус­ танавливается испаритель в металлическое гнездо, вдавленное

348

в снег. Испаритель со снегом периодически взвешивается. По из­ менению его веса между сроками наблюдения судят о слое испа­ рившегося снега в пересчете на воду. Дно и крышка испарителя применяются при транспортировке и взвешивании заряженного снегом испарителя с целью сохранения как самого снежного мо­ нолита, так и его температурного режима, близкого к естественно­ му. Взвешивание испарителя с монолитом снега осуществляется два раз в сутки, в сроки, установленные методикой наблюдений. В период весеннего снеготаяния или оттепелей испаритель взве­ шивается вместе с гнездом с целью учета просочившейся через монолит воды.

Измерение испарения с поверхности почвы. Измерение суммарного испарения с поверхности почвы, покрытой раститель­ ностью, и испарения с поверхности затененной почвы осуществля­ ется с помощью почвенных испарителей - приборов, носящих на­ звание весовых почвенных испарителей ГГИ-500-50 и ГГИ-500- 100, гидравлического почвенного испарителя малой модели и ли­ зиметра ГР-80 [33, 52].

В основе определения значения испарения с почвы лежит уравнение водного баланса, записанного применительно к моно­ литу испарителя, которым он заряжен:

где количество воды за период наблюдений А т: Е - испарившейся,

X - выпавших осадков, у - просочившейся через монолит; В ] и В2 - массы монолита в начале и конце периода наблюдений Ах.

Для определения массы монолита он взвешивается на меха­ нических весах или гидравлическим способом.

Испарители ГГИ-500-50 (500 см2 площадь поперечного се­ чения, 50 см - высота) и ГГИ-500-100 (500 см2 площадь, 100 см - высота) применяются для изучения испарения с поверхности верхнего деятельного слоя почвогрунтов. Первые устанавливают­ ся в гумидных районах страны (в зоне избыточного и достаточного увлажнения), вторые - в аридных районах (в зоне недостаточного увлажнения почвы и почвы, не покрытой луговой растительно­ стью). Вес вторых испарителей с монолитом почвы зависит от со­ става почвы и равен 80 - 100 кг. Взвешивание заряженного испа­

349

рителя в стандартные сроки осуществляется на весах. Доставка на весы выполняется с помощью специальных подъемников. После взвешивания испаритель опускается в специальное изготовленное из металла цилиндрическое гнездо, вкопанное в почвогрунт.

Просочившаяся через монолит вода собирается специаль­ ным сосудом, прикрепленным к испарителю снизу. Количество осадков, выпавших в период между взвешиваниями монолита, оп­ ределяется с помощью дождемера, установленного рядом с поч­ венным испарителем.

К достоинству этого способа измерения суммарного испаре­ ния с почвы следует отнести относительную простоту его измере­ ния и получение сведений за любой интервал времени. К недос­ таткам - невысокую точность измерения испарения по причинам: 1) почва в испарителе изолирована от грунтовых вод; 2) металли­ ческая стенка испарителя искажает теплообмен с окружающей его почвой; 3) корневая система растений подвергается травмирова­ нию в период зарядки испарителя монолитом, а в последствии на­ ходится в стесненных условиях стенкой испарителя; 4) нарушается растительный фон у испарителя; 5) нарушается структура грунта монолита в период зарядки испарителя.

Гидравлический почвенный испаритель (ГПИ) малой модели (2000 см2 площадь поперечного сечения, 50 и 100 см его высота) дает возможность измерять полусуточные и ежечасные значения испарения путем гидростатического взвешивания. Принцип гидро­ статического взвешивания основан на фиксировании вертикально­ го перемещения испарителя с монолитом, плавающего в воде от­ носительно уровня этой воды в бассейне, окаймляющем испари­ тель, в зависимости от испарения, т.е. в зависимости от изменения его веса.

Лизиметры ГР-80 (2000 см2 площадь поперечного сечения, 100, 200, 250, 500 см его высота) применяются для измерения сум­ марного испарения, расхода грунтовых вод в зону аэрации и по­ полнения этих вод за счет инфильтрации при глубине залегания грунтовых вод не более 5 м. Размер лизиметра определяется глу­ биной залегания уровня грунтовых вод. Чаще всего они применя­ ются на орошаемых землях с любыми сельскохозяйственными культурами: овощи, картофель, рис и др. Схема лизиметрической

350