Уравнение водного баланса почв

Водный баланс почвы

Водным балансом почвы называется количественное выражение совокупности всех видов поступления влаги в почву, ее расходования и изменения влагозапасов. Баланс почвенной влаги составляется для определенного слоя почвы за определенный промежуток времени. Чаще всего он составляется для одного гектара и выражается в м 3 /га или в мм слоя воды.

Баланс влаги представляется в виде уравнения, в котором изменения влагозапасов приравниваются к разности между приходными и расходными составляющими.

Основные приходные составляющие следующие: атмосферные осадки (О_с), приток поверхностных вод со стороны (П), капиллярное подпитывание со стороны грунтовых вод (Г), конденсация парообразной влаги, поступающей из атмосферы (К), поступление поливных вод (М). Основные расходные составляющие: сток поверхностных вод за пределы балансовой площади (С), испарение с поверхности почвы (Е_ф), отбор влаги растениями на транспирацию (Е_m) просачивание части влаги в глубжезалегающие слои (В).

В этих составляющих не учитывается горизонтальный приток и отток почвенной влаги, имеющий сравнительно небольшую величину. С учетом принятых обозначений уравнение водного баланса имеет следующий вид:

где ∆W=W_к–W_н, т.е. накопление запасов влаги в определенном слое почвы за определенный промежуток времени, равный разности между конечным W_к и начальными запасами W_н.

На орошаемых землях при правильно организованных поливах отсутствует приток поверхностных вод со сторон и сток поливных вод, мало поступает влаги в результате конденсации. Если обозначить Е_с=Е_ф+Е_m, что равно суммарному расходованию влаги на испарение; Г–В=g, что представляет собой суммарный влагообмен между почвенным слоем и его подстилающими слоями, то из уравнения баланса можно получить выражение для определения потребности в поливной воде за вегетацию (оросительной нормы): М=Е_с–О_с–g+∆W.

Балансовые расчеты и исследования имеют большое значение при изучении водного режима почв и назначений мероприятий для его улучшения. Количественный анализ составляющих баланса позволяет выявить его основные приходные или расходные статьи. При избыточном увлажнении, например, это дает возможность наметить правильные методы осушения.

Балансовые расчеты позволяют установить потребность в орошении, как это было показано выше, определить роль грунтовых вод в формировании почвы. Уравнения водного баланса используют для прогноза изменения водного режима почвы при изменении внешних условий (орошение, осушение и т.д.).

Баланс влаги можно составлять для разных периодов, например за время исследований водного режима в полевых условиях, за конкретный вегетационный период, за год. Для обобщенной оценки водного режима местности баланс можно составлять за многолетний период. В этом случае используют средние многолетние данные об атмосферных осадках, испарении и других составляющих баланса. Можно допустить, что в среднем за год в почвенном слое не происходит изменений в содержании влаги (∆W=0).

При организации воднобалансовых исследований необходимы наблюдения за всеми его составляющими. В этом случае невязка баланса позволяет определить точность исследований. Иногда практикуемое определение одной составляющей из уравнения баланса может привести к значительным погрешностям, так как ошибки измерений всех составляющих накладываются на неизвестную составляющую баланса.

Источник

Водный режим и баланс

Водный режим почвы и его регулирование

Водный режим почвы – совокупность процессов поступления влаги в почву, ее передвижения и расхода из почвы. Он определяет содержание воды в почве в течение года и отдельных его периодов, ее движение в системе грунтовые воды – почва – растение – атмосфера. Водный режим почвы характеризуется послойной динамикой содержания воды и/или энегетического состояния воды (влажности и/или давления влаги), соотнесенного с почвенно-гидрологическими константами (ПВ, НВ, ВРК, ВЗ, МГ).

Важная часть анализа водного режима – оценка движения воды, скорость которого меняется с изменением влажности почвы и потенциала воды. А.А. Роде ввел понятие гидрологического горизонта (часть профиля почвы, в которой поведение воды близко). Вслед за ним Д.Ф. Ефремовым, А.Д. Ворониным, Л.О. Карпачевским, А.П. Сапожниковым (1986) была предложена система гидрологических горизонтов и гидрологических профилей. Ими выделены следующие гидрологические горизонты:

1. Застойного увлажнения, влажность почвы выше НВ и близка или равно ПВ. Потенциал почвенной влаги > -10 кПа.

2. Промывной горизонт, влажность почвы около НВ, потенциал воды — -10. -30 кПа.

3. Десукционный горизонт, влажность которого лежит в пределах НВ-ВЗ, а водный потенциал измеряется -30. -1500 кПа для злаков и -30. -2400кПа для большинства древесных пород. Ниже этого преде­ла растение воду потреблять не может.

4. Эвапорационный горизонт — влажность почвы ниже ВЗ, ниже -1500 (-2400) кПа. Потеря воды из горизонта идет только в результате физического испарения.

5. Выпотной горизонт, связан с верховодкой или грунтовыми во­дами. Влажность в пределах ППВ-НВ. потенциал >-30 кПа.

6. Конденсационный горизонт может обладать любой влажностью. Для него характерно периодическое увеличение влажности почвы при отсутствии осадков. Может встречаться на разных глубинах и связан с разностью температур между отдельными морфологически­ми горизонтами или слоями почвы.

Важной характеристикой водного режима является водный баланс – оценка прихода и расхода влаги в определенном слое почвы за конкретный период.

По А.А. Роде водный баланс выражается следующим уравнением:

где В₁ — запас влаги в почвенной толще в конце изучаемого периода;

В_о — запас влаги в почвенной толще в начале изучаемого пе­риода;

Ос — сумма осадков за весь период;

К — величина конденсации за весь период;

ГрП— количество влаги, поступившей в почву из грунтовых вод

(грунтовый приток) за весь период;

Д — величина десукции за весь период;

Исп — величина физического испарения за весь период;

ПС — величина поверхностного стока за весь период;

ВПС — величина внутрипочвенного бокового стока за весь период;

ГрС — величина грунтового стока за весь период.

В отдельных случаях некоторые слагаемые водного баланса могут быть равны нулю.

Все величины, входящие в уравнение, удобнее всего выражать в миллиметрах водного слоя, как это принято для осадков. Водный баланс может составляться для любого периода, но чаще всего пользуются годовым водным балансом. Это позволяет при пользовании годовыми средними величинами в уравнении водного баланса принять В₁ равным В_о, так как очевидно, что запасы влаги в почве в начале и в конце среднего года, если не происходит прогрессирующего иссушения или прогрессирующего заболачивания почвы, должны быть равны.

Рассмотрим составляющие водного баланса.

Атмосферные осадки. Количество осадков (жидких и твердых) определяется климатом местности. Однако поступление их в почву в значительной мере зависит от растительного покрова. Часть осадков задерживается растительностью, особенно кронами древесных растений. Это количество зависит от состава, возраста и полноты насаждения, а также от количества выпавших осадков и интенсивности их выпадения. Чем слабее дождь, тем большая доля выпавшей влаги задерживается на кронах деревьев. Некоторая часть влаги, задержанная таким путем, стекает по стволам и, следовательно, также поступает в почву, другая ее часть испаряется обратно в атмосферу.

Накопление твердых осадков под лесной растительностью чаще больше, чем на открытых пространствах, с которых снег сносится в овраги и балки. Облесенные площади отличаются от открытых площадей не только накоплением снега, но и тем, что снеготаяние на них происходит медленнее, чем на открытых площадях. Для опушек лесных массивов, а также для искусственных лесных полос шириной от двух-трех до нескольких десятков метров большое значение имеет навевание снега ветром в зимнее время. При этом у опушек и в полосах образуются большие сугробы, запас воды в которых в несколько раз превышает средний запас на соседних открытых площадках. Таким образом, в этих местах создаются добавочные запасы снеговой воды, поступающие потом в почву.

Поступление влаги из грунтовых вод. При близком стоянии грунтовых вод, когда осуществляется их капиллярная связь с почвенным профилем, происходит пополнение запасов влаги и использование ее растениями. Такие воды, уровень которых хотя бы периодически оказывается в почвенной толще, называют почвенно-грунтовыми. Если он при всех условиях находится значительно ниже почвенного профиля, говорят о собственно грунтовых водах. Почвенно-грунтовые воды характеризуются большей подвижность уровня, поскольку их уровень зависит от осадков, испарения, десукции, стока и других факторов.

Вследствие иссушающего действия лесной растительности на почву уровень грунтовых вод под лесом большей частью ниже, чем на соседних безлесых участках. Однако под лесными полосами, накапливающими снежные сугробы, уровень грунтовых вод поднимается выше.

Конденсация. Внутрипочвенная конденсация влаги происходит при охлаждении почвенного воздуха до точки росы. Как составляющая водного баланса она может иметь существенное значение при высокой влажности воздуха, значительных перепадах дневной и ночной темпера­тур и при высокой фильтрационной способности почвы, за счет которой конденсирующаяся в ночные часы влага способна про­никнуть в глубинные слои почвы и не испариться в течение светового дня. Именно поэтому заметное количество конден­сированной влаги образуется в пустынных песчаных, а также в мерзлых почвах.

Испарение и десукция. Под растительным покровом, особенно лесным, происходит извлечение влаги из почвы растениями, то есть десукция.

Часть влаги расходуется из почвы путем физического испарения, минуя растительные организмы. Кроме того какая-то доля атмосферных осадков, задерживается растительным покровом (древесным или травянистым), возвращающейся в атмосферу всеми путями, характеризуют собой величину суммарного испарения или эвапотранспирации.

На пахотных землях под сель­скохозяйственными культурами расход влаги на физическое испа­рение из почвы может достигать 50% от величины суммарного испа­рения. Снижение этого непроизво­дительного расхода — большой резерв для повышения влагообеспеченности и производительности сельскохозяйственных культур, особенно в степной и более сухих зонах.

Наибольшей величины физическое испарение из почвы достигает на участках, лишенных растительности, например на пашнях в весен­нее время, когда посеянные культуры еще не затенили почву и не понизили ее влажность путем десукции, и в особенности на участках чистого пара. В этих условиях исключительно важную роль в сокращении физического испарения играет мульчирование поверхности почвы растительными остатками.

Поверхностный сток. Стекание воды с поверхности почвы, то есть поверхностный сток, наблющийся чаще всего во время таяния снега, а также при выпадении обильных летних осадков, зависит от многих причин, в том числе от угла наклона поверхности, количества осадков, интенсивности поступления их на поверхность почвы (т. е. интенсивности дождя или снеготаяния), водопроницаемости почвы, которая в свою очередь зависит от физических свойств почвы, от ее влажности, а весной и от степени промерзания. Так как все эти условия могут изменяться в значительных пределах, то и величина поверхностного стока также может на одной и той же почве при одном и том же составе растительности значительно различаться.

С участков, покрытых лесом, сток всегда значительно меньше. Уменьшение стока под лесом обусловливается несколькими причинами. Во-первых, почва под лесом к началу снеготаяния часто оттаивает полностью или по крайней мере частично, в то время как на безлесных площадях она к этому времени оказывается еще более или менее глубоко промерзшей. Во-вторых, в лесу снеготаяние идет медленнее, вследствие чего влага поступает более равномерно и в большей степени успевает впитаться в почву. В-третьих, водопроницаемость одинаковых почв под лесом выше, чем под другими угодьями благодаря наличию подстилки и лучшей структурности. В-четвертых, поверхность почвы в лесу часто отличается сильно развитым нанорельефом, особенно когда в насаждении преобладает ветровальная порода, например ель. Западины, входящие в состав микрорельефа, уменьшают поверхностный сток. Летом поверхностный сток в лесу наблюдается крайне редко.

Существенное влияние на поверхностный сток оказывает структурное состояние почвы. Чем лучше выражена структура и чем она прочнее, тем выше водопроницаемость почвы и тем меньше сток. Поэтому улучшение структурного состояния почвы является одним из важных мероприятий в борьбе с поверхностным стоком.

Внутрипочвенный сток. Почвенный сток, или внутрипочвенный боковой сток развивается на почвах с развитыми иллювиальными горизонтами, а также на почвах, сформированных на двучленных наносах, когда верхний слой более легкий по гранулометрическому составу. В периоды интенсивного поступления влаги в почву над водоупором происходит насыщение ее до полной влагоемкости. Возникает водоносный горизонт, называемый почвенной верховодкой. При наличии уклона верховодка начинает стекать в толще верхних надводоупорных горизонтов, образуя почвенный сток.

Грунтовый сток. Часть влаги, поступающей в почву и не израсходованной на поверхностный и почвенный сток, а также на десукцию и испарение, просачивается в материнскую породу. На некоторой глубине она достигает водоупорного слоя.

Влага накапливается над водоупором, насыщая лежащие над ним слои породы до полной влагоемкости, вследствие чего они становятся водоносным горизонтом. Содержащаяся в них влага, называемая грунтовой водой, при наличии уклона она стекает вдоль него. Если водоупорный слой приближается где-либо к поверхности почвы, грунтовая вода изли­вается в форме ключа или родника, либо поступает в почвенную толщу и расходуется в дальнейшем на испарение или десукцию.

Количество почвенной влаги, просачивающееся в материнскую породу и создающее в ней грунтовую воду, и составляет грунтовый сток. Величина его может изменяться в широких пределах в зависимости от геологического строения, водопроницаемости материнской породы, угла наклона и т. д. — от нескольких процентов до 20—30% суммы осадков.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Гидрология

Лекция. Гидрология подземных вод

1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ

Согласно современным представлениям, подземные воды по происхождению могут быть:

1. Экзогенными (их источник — вод­ные объекты на поверхности суши и влага атмосферы),
2. Эндо­генными (их источник — недра Земли).

1. Экзогенные подземные воды поразделяются на:

— Инфильтрационные — проникают в горные породы путем просачивания атмосферных, речных, морских и озерных вод. Основную роль при этом играет проникновение в грунт через поры и трещины практически пресной атмосферной воды.

— Кон­денсационные — образуются при конденсации в порах грунта

водяного пара, перемещающегося в грунте под влиянием разности давления. Считают, что вклад этого вида питания подземных вод невелик, однако в некоторых физико-географических условиях, например пустынях, может иметь существенное значение.

— Седиментационные (осадконакопление) образуются из вод того водного объекта, где происходил процесс седиментации, т. е. отложения наносов. Воды такого типа распространены в осадочных породах и в ложах океанов и морей, где образуют так называемые «иловые растворы».

2. Эндогенные подземные воды подразделяются на:

— Дегидратационные — образуются в горных породах в ре­зультате дегидратации минералов (такие воды называют «возрожденными»)

— Ювенильные — поступают из магматических очагов, в частности в районах современного вулканизма (их назы­вают «ювенильными» водами).

Инфильтрационные, конденсационные, седиментационные, де-гидратационные и «ювенильные» воды при своем перемещении в горных породах смешиваются, образуя смешанные по происхож­дению подземные воды.

Подземные воды (главным обра­зом — Инфильтрационные) являются важным компонентом матери­кового звена круговорота воды на земном шаре и играют заметную роль в балансе и режиме природных вод и растворенных в них веществ.

Источник