Hydrologia i oceanografia Ćw. nr 12. Temat: Rodzaje parowania. Obliczanie wielkości parowania terenowego.

Transkrypt

1 Hydrologia i oceanografia Ćw. nr 12. Temat: Rodzaje parowania. Obliczanie wielkości parowania terenowego. Parowanie jest jednym z elementów bilansu wodnego zlewni, który oprócz opadów, w dużym stopniu oddziałuje na wielkość odpływu. Jest mierzone tylko w zlewniach eksperymentalnych i niektórych stacjach klimatycznych IMGW (Bajkiewicz-Grabowska, Magnuszewski 2002). Ze względu na zróżnicowane użytkowanie obszaru większości zlewni, typy roślinności, zmienną pokrywę glebową, rzeźbę terenu oraz budowę geologiczną proces parowania przebiega niejednakowo na powierzchni zlewni i jest uzależniony od rodzaju powierzchni parującej. Ogólnie rozróżnia się następujące rodzaje parowania (Soczyńska red. 1997): 1. Parowanie ilość pary wodnej odprowadzanej do atmosfery w wyniku parowania z wolnej powierzchni wody lub ze zwilżonej powierzchni (roślinnej, glebowej, itp.) w istniejących warunkach meteorologicznych w temperaturze niższej od temperatury wrzenia. 2. Parowanie z wolnej powierzchni wody ilość pary wodnej odprowadzanej do atmosfery w wyniku parowania z wolnej powierzchni wody (zbiorników wodnych, cieków, kałuż itp.) w istniejących warunkach meteorologicznych w temperaturze niższej od temperatury wrzenia. Jest często utożsamiane z parowaniem potencjalnym. 3. Parowanie z gleby - ilość pary wodnej odprowadzanej do atmosfery z gleby w istniejących warunkach meteorologicznych przy aktualnym stanie uwilgotnienia. 4. Transpiracja roślin - ilość pary wodnej odprowadzanej przez aparaty szprkowe liści i łodyg do atmosfery w istniejących warunkach meteorologicznych, przy aktualnym stanie wilgotności gleby (transpiracja szparkowa); oprócz transpiracji szparkowej istnieje także t. kutykularna, która odbywa się bezpośrednio przez skórę liścia lub łodygi, jednak jest znacznie mniej intensywna. Transpiracja zależy zarówno od czynników fizycznych (dopływ energii, zapas wody w glebie), jak i fizjologicznych. 5. Ewapotranspiracja (ewapotranspiracja aktualna) ilość pary wodnej odprowadzanej do atmosfery wskutek parowania z gleby i transpiracji roślinności w istniejących warunkach meteorologicznych przy aktualnym stanie uwilgotnienia gleby, wraz z parowaniem wody opadowej zatrzymanej na roślinach w wyniku intercepcji. 6. Sublimacja z lodu i śniegu proces, w którym woda przechodzi bezpośrednio ze stanu stałego w stan gazowy. 7. Parowanie terenowe obejmuje wszystkie rodzaje parowania występujące na danym obszarze, a więc parowanie z wolnej powierzchni wód płynących i stojących, parowanie lub sublimację z pokrywy śnieżnej i lodowej, parowanie z wody opadowej zatrzymanej na roslinach i innych powierzchniach w wyniku intercepcji, parowanie z gleby, transpirację roślinności oraz straty wody na parowanie w procesach gospodarczych. 8. Parowanie rzeczywiste w zimnej porze roku obejmuje w okresie bezśnieżnym parowanie lub sublimację z powierzchni roślin i gleby oraz transpirację kutykularną roślin, a w okresie zalegania śniegu parowanie lub sublimację z pokrywy śnieżnej i lodowej. 9. Parowanie potencjalne maksymalna ilośc wody, która mogłaby być odprowadzona do atmosfery w postaci pary wodnej w danych warunkach meteorologicznych ze stale zwilżonej powierzchni roslinnej, glebowej itp., mającej idenyczne podłoże oraz jego właściwości fizyczne jak rozpatrywany obszar (identyczne wartości albedo, zdolności emisyjnej i parametru szorstkości). 10. Ewapotranspiracja potencjalna - maksymalna ilośc wody, która mogłaby być odprowadzona do atmosfery w postaci pary wodnej w danych warunkach meteorologicznych z gleby całkowicie pokrytej roślinnością i nasyconej wodą. Pojęcie to obejmuje transpirację roślin i parowanie z gleby dla określonego regionu w danym

2 przedziale czasu (definicja proponowana przez WMO). 11. Ewapotranspiracja względna stosunek ewapotranspiracji aktualnej E do parowania potencjalnego Ep, to jest E/Ep 12. Parowanie wskaźnikowe wartość parowania uzyskana na podstawie pomiarów punktowych wykonywanych za pomocą ewapometrów, czyli przyrządów słóżących do pomiaru parowania z powierzchni wody. Rozpatrując zagadnienie parowania przydatna jest także znajomość następujących pojęć: 1. Utajone ciepło parowania ilość ciepła pobranego z otoczenia przez jednostkową masę wody podczas przejścia ze stanu ciekłego do stanu gazowego przy stałej temperaturze. 2. Utajone ciepło topnienia ilość ciepła pobranego z otoczenia przez jednostkową masę lodu w procesie topnienia, czyli przejścia ze stanu stałego w ciekły bez zmiany temperatury. 3. Utajone ciepło sublimacji ilość ciepła absorbowanego z otoczenia przez jednostkową masę lodu w procesie sublimacji, czyli przejścia ze stanu stałego w gazowy bez zmiany temperatury. Ciepło to jest sumą utajonego ciepła topnienia lt oraz utajonego ciepła parowania l i przy temperaturze 0ºC wynosi: ls = 79, ,3 = 677 cal g-1 lub ls = 2, J kg-1 Jednostką parowania, transpiracji lub ewapotranspiracji jest najczęściej milimetr wyparowanej warstwy wody na jednostkę czasu (godz., doba, miesiąc, rok), a więc mm h -1, mm d-1, mm mies.-1, mm rok Intercepcja proces zatrzymywania wody opadowej przez szatę roślinną lub inne obiekty abiotyczne (dachy budynków, drogi). Przechwytywanie opadu przez obiekty abiotyczne nazywane jest zwilżaniem. Zjawisko to można przedstawić specyficznie jako zbiornik intercepcji. Zbiornik ten ma swoją objętość, jeśli opad jest mniejszy od zbiornika intercepcji to do powierzchni Ziemi nie dotrze ani jedna kropla wody. Im więcej roślinności i im więcej pięter zbiorowości roślinnej, tym więcej wody jest zatrzymywane i nie dochodzi do powierzchni gruntu. Można wyróżnić 3 podstawowe piętra zbiornika intercepcji. Są to: piętro drzew, krzewów oraz runa leśnego. Na zapełnienie zbiornika intercepcji przeznaczona jest początkowa część opadu, który zostaje zatrzymany, gdy opad jest długotrwały zbiornik intercepcji traci na znaczeniu i staje się obojętny dla deszczu - nie zatrzymuje już opadu atmosferycznego. Zbiornik intercepcji opróżniany jest wskutek parowania z powierzchni liści i igieł, zjawisko to nosi nazwę strat intercepcji. Zjawisko intercepcji zmniejsza dopływ wody do ziemi i zwiększa czas tego dopływu. Sumę wszystkich form parowania, jakie występują na obszarze danej zlewni określa się mianem parowania terenowego. Jego wielkośc zależy od czynników: fizycznych promieniowanie całkowite, niedosyt wilgotności powietrza, prędkość wiatru glebowych -- ilość wody w podłożu (retencję podłoża) biologicznych całokształt procesów przejścia wody przez organizm rośliny do atmosfery Z racji dużej ilości zmiennych wpływających na natężenie parowania terenowego, określenie jego wielkości nastręcza wiele trudności. W literaturze istenieje duża liczba mniej lub bardziej skonplikowanych metod slużących do obliczania wielkości parowania terenowego. Żadna z nich nie jest doskonała, wybór konkretnej metody często uzależniony jest od od celu badań, wymaganej precyzji obliczeń lub dostępu do danych. Stosowanymi metodami są, m.in.: metoda

3 obszarowego bilansu wodnego, metoda bilansu cieplnego, metoda dyfuzji turbulencyjnej, metoda kompleksowa, metody ewaporometryczne, metoda Parde'go, metoda Konstantinowa, Formuła Penmana, metody oparte na modelach matematyczno-fizycznych. Wybrane metody obliczania parowania terenowego: Metoda Parde'go zakłada, iż suma roczna parowania terenowego zależy od rocznej sumy opadów i średniej rocznej temperatury powietrza. Zależność ta przedstawiona jest w formie monogramu (ryc. 1). Metoda ta nadaje się do wyznaczania długookresowych sum parowania terenowego. Znając roczną sumę opadów atmosferycznych [mm] oraz średnią roczną temperaturę [ºC] wartości sumy rocznej parowania terenowego odczytuje się z nomogramu. Ryc. 1. Nomogram Parde'go (Dynowscy 1971) Metoda Konstantinowa służy do wyznaczania wielkości parowania terenowego w krótkich okresach (np. miesiącach). Jest oparta o teorię dyfuzji turbulencyjnej pary wodnej, która zakłada, iż parowanie zależy od pionowego zróżnicowania temperatury, wilgotności powietrza i prędkości wiatru w przyziemnej warstwie atmosfery. A. R. Konstantinow ustalił empiryczne związki pomiędzy pionowymi gradientami wilgotności powietrza, prędkością wiatru i ciśnieniem pary wodnej w powietrzu (mierzonym na wys. 2 m n.p.t.), które przedstawił w postaci nomogramu (ryc. 2). Aby dokonać obliczeń wysokości parowania terenowego metodą Konstantinowa należy znać jedynie wartości średnich dobowych temperatur (t) [ºC] i odpowiadających im wartości prężności pary wodnej (e) [mb lub hpa]. Następnie trzeba skorygować posiadane dane o terminowe poprawki (Δe) oraz (Δt) odczytane z tabeli 1. Ostatnim etapem obliczeń jest odnalezienie na nomogramie skorygowanych wartości t (na liniach nomogramu) oraz e (na oś odciętych) i odczytanie wielkości parowania terenowego E (oś rzędnych). Sumując poszczególne dobowe wielkości parowania terenowego można sprecyzować wielkości parowania terenowego dla dłuższych okresów (miesiąc, rok). Przykład obliczeniowy do metody Konstantinowa znajduje się w załączniku do tego ćwiczenia.

4 Tab. 1. Terminowe poprawki obserwowanej prężności pary wodnej (Δe) oraz temperatury powierza (Δt) służące do określania wielkości parowania terenowego metodą Konstantinowa

5 Ryc. 2. Nomogram Konstantinowa (Dynowscy 1971) Ćwiczenie do wykonania: Korzystając z danych dostaczonych przez prowadzącego oszacuj roczną sumę parowania terenowego metodą Parde'go oraz miesięczną sumę parowania terenowego dla wybranego miesiąca roku hydrologicznego metodą Konstantinowa. Materiały potrzebne do wykonania ćwiczenia: ołówek, długopis, kalkulator, papier kancelaryjny. Do opracowania: Czy roczne sumy parowania (w szczególności potencjalnego i terenowego) na danym obszrze mogą przekroczyć roczne sumy opadów atmosferycznych? Oceń, jak ta sytuacja może wpłynąć na ilość i dostęp do wody na badanym obszarze. Jaka sytuacja występuje na obszarze Polski? Literatura: Pociask- Kaeteczka J. (red.) Zlewnia, właściwości i procesy. IGiGP UJ, Kraków, s Soczyńska U. (red.) Hydrologia dynamiczna. PWN. Warszawa, s