5.3. Взаємозв’язок елементів теплоенергетичного та водного балансу

В практиці оцінювання якості ґрунтів та прогнозування їх стану за результатами водобалансових досліджень використовують рівняння зв’язку елементів теплоенергетичного та водного балансів. Це обумовлено тим, що загальними витратними компонентами теплоенергетичного й водного балансів ділянки літосфери є сумарне випаровування та затрати теплоти на цей процес.

Рівняння зв’язку установлюють аналітичну залежність сумарного випаровування від компонентів процесу перетворення сонячної енергії та ресурсів вологи. При цьому теплові ресурси виражаються шаром води, яка може випаровуватися при умові повної витрати ресурсів теплоти на цей процес.

Всі елементи балансових рівнянь можуть бути подані у відносних величинах:

1. водного еквіваленту теплоенергетичних ресурсів процесу сумарного випаровування

; (5.18)

; (5.19)

2. водного еквіваленту теплоенергетичних ресурсів клімату

; (5.20)

; (5.21)

де – відносні сумарні випаровування, стік, сумарне зволоження та сумарний теплообмін відповідно до водних еквівалентів сумарного випаровування та клімату.

В диференціальній формі балансові рівняння мають вигляд:

, (5.22)

, (5.23)

Інтегрування рівнянь (5.22) та (5.23) в загальному вигляді після відповідної підстановки

; (5.24)

; (5.25)

дозволяє отримати часткові рівняння зв’язку:

, (5.26)

, (5.27)

де – параметр, числові значення якого залежать від відношення сумарного випаровування та зволоження в оптимальних умовах і фізико-географічних умов формування стоку на ділянці літосфери;

–параметр, що характеризує можливу верхню границю затрат теплоенергетичних ресурсів клімату на процес випаровування.

Значення параметра знаходяться в межах 1,0...3,0; параметра  в межах 0...0,3.

ґрунт є трифазною системою, до складу якої входять тверда, рідка й газоподібна частина. Тверда частина ґрунту й волога знаходяться в постійній взаємодії, що обумовлено силами різної природи й величини. Результати цієї взаємодії характеризують основні водні властивості ґрунтів: здатність затримувати воду різних категорій й форм (вологоємність), здатність поглинати воду й пропускати її (водопроникність) та здатність віддавати частину води шляхом вільного стікання (водовіддача).

Важливою агрогідрологічною характеристикою ґрунтів є їх вологоємність– властивість ґрунтів вміщувати або затримувати певну кількість води в порах. За характером зв’язку води з твердим середовищем розрізняють такі вологоємності:

• максимальна адсорбційна вологоємність– найбільша кількість води, яку ґрунт може міцно зв’язати в результаті явища адсорбції;

• максимальна гігроскопічна вологоємність – найбільша кількість пароподібної вологи, яку повітряно-сухий ґрунт може поглинути із повітря, дорівнює 94%;

• найменша вологоємність – найбільша кількість завислої води незалежно від механізму затримання вологи, яка може затримуватися в верхній частині товщі ґрунту після вільного стікання води, при глибокому заляганні підземних вод. Величина найменшої вологоємності визначається механічним складом ґрунтів. В пісках її величина дорівнює 3...5%, в супісках - 10...15%, в суглинках та глинах - 15...30%;

• капілярна вологоємність – кількість вологи в ґрунті, що затримується капілярними силами на певній відстані від рівня ґрунтових вод. Величина її змінна і залежить від висоти розміщення даного шару ґрунту над дзеркалом підземних вод;

• максимальна капілярна вологоємність– найбільша кількість води, яка затримується в ґрунті капілярними силами над дзеркалом підземних вод;

• повна вологоємність– найбільша кількість води, яка може вміститися в ґрунті за умови повного заповнення всіх пустот і пор, за винятком зайнятих стиснутим повітрям.

Існує взаємозв’язок балансових елементів з водофізичними властивостями ґрунтів, який в диференціальній формі апроксимується рівнянням

, (5.28)

де – відносна вологість ґрунтів, яка виражена їх агрогідролочною константою найменшої вологоємності;

– параметр, який характеризує водофізичні властивості ґрунтів та знаходиться в межах 1,1...3,0; при цьому меншими значеннями характеризуються піщані, а більшими – глинисті ґрунти.

За результатами інтегрування рівняння (5.28) отримують залежність:

. (5.29)

Величина найменшої вологоємності метрового шару ґрунтів в залежності від механічного складу змінюється в таких межах: глинисті та суглинисті 300...400 мм, легкосуглинисті 200...300 мм, супіщані 100...200 мм, піщані 60...100 мм.

Результати числового та картографічного моделювання дозволяють оцінити якість водного режиму ґрунтів та прогнозувати їх стан при зміні надходжень ресурсів тепла й вологи до літосфери. Розподілення середніх багаторічних відносних величин балансових елементів на території Вінницької області показане на рис. 5.8 –5.11.

Значення середніх багаторічних значень сумарного зволоження змінюються від 0,6 на південно-східній частині до 0,8 на півночі (рис. 5.8), а відносне сумарне випаровування відповідно в тих же районах від 0,55 до 0,70 (рис. 5.9). Це свідчить про те, що на сумарний теплообмін витрачається 30-45% теплоенергетичних ресурсів.

Рисунок 5.8 – Середнє багаторічне значення відносного сумарного зволоження

Рисунок 5.9 – Середнє багаторічне значення відносного сумарного випаровування

Середня багаторічна річна вологість ґрунту складає 70-90% найменшої вологості (рис. 5.10).

Рисунок 5.10 – Середня за рік багаторічна вологість ґрунту як частка найменшої вологоємності

На стік в середній рік витрачається 7-15% опадів (рис. 5.11).

Рисунок 5.11 – Середній багаторічний коефіцієнт річного стоку

Характер річного розподілення відносних значень балансових елементів (табл. 5.10) свідчить про те, що найбільше зволоження поверхні ґрунтів в осінньо-зимовий період, а найменше – влітку.

Таблиця 5.10 – Середні багаторічні значення відносних балансових елементів по м. Вінниці

Показник	Місяці										В рік
	ІІІ	ІV	V	VІ	VІІ	VІІІ	ІХ	Х	ХІ	ХІІ-ІІ
Відносне сумарне зволоження	1,05	1,18	0,96	0,77	0,66	0,61	0,59	0,62	0,73	0,83	0,80
Відносне сумарне випаровування	0,81	0,85	0,78	0,68	0,61	0,57	0,55	0,58	0,66	0,71	0,68
Коефіцієнт стоку	0,17	0,48	0,33	0,17	0,10	0,07	0,06	0,04	0,03	0,04	0,14
Вологість ґрунту в част-ках найменшої вологості	1,03	1,12	0,98	0,84	0,76	0,72	0,70	0,73	0,81	0,88	0,86

Внаслідок високих температур теплоенергетичних ресурсів в літньо-осінній період при незначному зволоженні діяльної поверхні, велика частка атмосферних опадів витрачається на процес сумарного випаровування та тільки 3-10% – на стік. У весняний період на стік витрачається до 50% атмосферних опадів, оскільки ґрунти достатньо насичені вологою, а частка теплоенергетичних ресурсів, що надходить до земної поверхні, невелика.