2.3.4. Випаровування води з грунту

Волога, акумульована в кореневміс­ному шарі, втрачається з грунту вна­слідок транспірації рослин і випаро­вування з грунту.

Випаровування — це перехід води в стан водяної пари, що зумовлює без­посередні втрати її з грунту або через транспірацію. Цей процес залежить від таких факторів: наявності енергії на випаровуючій поверхні, що забезпе­чує потребу в прихованому теплі для утворення пари; здатності повітря пе­реносити водяну пару від випаровую­чої поверхні; наявності води на ефек­тивній випаровуючій поверхні. Швидкість випаровування вологи протягом періоду висушування неодна­кова. Спочатку при достатньому зво­ложенні грунту вода випаровується з постійною швидкістю. Завдяки вели­кій рухомості води та кількість її, що випарувалась, відразу поповнюється за рахунок капілярного підняття. При такій вологості грунту випаровування відбувається неначе з вільної водяної

поверхні, інтенсивність його визначає­ться лише різницею між пружністю водяної пари на поверхні грунту і прилеглого шару повітря, тобто погод-нимн умовами. У природних умовах таке випаровування спостерігається при близькому заляганні до поверхні ґрунтових та підґрунтових вод, що за­безпечує безперервне капілярне підті­кання вологи знизу, і при зрошенні, поки поливна вода повністю не просо­чилася, а також після великих злив.

Втрати вологи на цій стадії можна зменшити за рахунок збільшення водо­проникності грунту, що запобігає на­громадженню великої кількості води в верхніх його шарах, а також впливаю­чи на метеорологічні фактори (змен­шення швидкості вітру, підвищення вологості повітря тощо).

Коли при зниженні вологості грунту звільняться найбільші пори і капіляр­не підтікання води сповільниться, ви­паровування зменшується. Воно зале­жатиме не тільки від метеорологічних умов, а й від швидкості підтікання во­логи до випаровуючої поверхні. Якщо швидкість капілярного підняття недо­статня для поповнення втрат на випа­ровування, абсолютні значення випа­ровування залежатимуть в основному від швидкості капілярного підняття, тобто визначатимуться водопідіймаль­ною здатністю грунту. Для зменшення випаровування ґрунтової вологи на цій стадії потрібно зменшити підтікання її до випаровуючої поверхні. Оскільки на цій стадії переважає капілярний механізм переміщення ґрунтової воло­ги, для зменшення її втрат треба роз­пушувати грунт, щоб зменшити капі­лярні пори, по яких вода піднімається до випаровуючої поверхні.

При наближенні вологості грунту до рівня розриву капілярних зв'язків ру­хомість води в ньому різко знижується і починає переважати випаровування всередині грунту. Внаслідок дифузії та конвекції водяна пара з товщі грун-

ту надходить в атмосферу. Випарову­вання відбувається за рахунок виси­хання верхнього шару грунту, ще спричинює поглиблення випаровуючої поверхні. Швидкість випаровування при цьому залежить від інтенсивності дифузії пари через верхній сухий шар грунту (випаровування дуже незнач­не). Навіть при високій температурі і значному дефіциті вологості повітря випаровування не перевищує десятих часток міліметра за добу.

Щоб зменшити випаровування ґрун­тової вологи на стадії, коли переважає дифузний механізм її руху, грунт тре­ба ущільнювати. Це зменшить вільну пористість, по якій переміщується во­дяна пара.

Залежність випаровування води від вологості поверхні грунту добре ілюструють результати досліджень А. П. Федосєєва (мал. 5). Цей малю­нок побудований на основі спостере­жень за вологістю поверхні чорного пару (0—2 см) і добовою кількістю випаровуваної води в день визначення вологості. Щоб порівняти дані, випа­ровування перераховано на одиницю дефіциту вологості повітря.

Випаровування ґрунтової вологи значно зменшується після мульчуван­ня поверхні грунту гноєм, рослинними рештками або сухим шаром грунту. Про вплив вологості верхнього шару грунту на випаровування свідчать до­сліди А. П. Федосєєва. Грунт у двох випарниках Попова зволожували од­наково до максимальної капілярно: вологоємкості. В одному з них волога випаровувалась безпосередньо з по­верхні зволоженого грунту, а в друго­му зволожений грунт був покритий зверху трисантиметровим шаром того самого, але пухкого і сухого грунту. В результаті за два місяці (червень — липень) з незахищеного моноліту, зво­ложеного до максимальної вологості, випарувалося 281 мм води. З монолі­ту, зволоженого так само, але покри­того зверху ізолюючим сухим шаром грунту, за такий самий період випа­рувалося 65 мм.

Швидкість випаровування вологи з грунту залежить від його структурно­го складу. При вологості грунту, яка дорівнює повній вологоємкості, в умо­вах середньої рухомості повітря, на­приклад, у полі при невеликому вітрі, швидкість випаровування води струк­турним і розпорошеним грунтом май­же однакова. При сильному вітрі швидкість випаровування із структур­ного грунту значно вища, ніж з розпу­шеного.

При безперервному зменшенні воло­гості і середньому вітрі у процесі ви­паровування води структурним і роз­порошеним грунтом А. І. Ахромейко виділяє три періоди: 1) ври вологості грунту від 100 до 60—70 % повної во­логоємкості випаровування з структур­ного і розпорошеного грунту майже однакове: 2) при вологості від 60—70 до 40—35 % з розпорошеного грунту вода випаровується з більшою швид­кістю, ніж із структурного; 3) при во­логості менше 35 % повної вологоєм­кості структурний грунт випаровує во­ди більше, ніж розпорошений, але ви­паровування при цьому дуже незнач­не. Отже, є підстави вважати, що з структурного грунту, який містить оп­тимальну кількість вологи, випаровує­ться вологи менше, ніж з розпорошено­го Макроструктурний грунт є систе­мою, яка сповільнює процес перемі­щення вологи в зоні висушування і практично припиняє його при вищій вологості, ніж у мікроструктурних грунтах.

Багато уваги приділялось вивченню впливу будови грунту на випаровуван­ня. Раніше вважали, що з розпушеного грунту випаровується води менше, ніж із щільного. Тому одним з основних заходів зберігання її було розпушу­вання грунту, яке створювало на його поверхні ізолюючий захисний шар.

Проте ці припущення були недостат­ньо обгрунтовані експериментально. Не було виявлено залежності випаро­вування від ступеня ущільнення грун­ту при різних режимах зволоження і висихання, тому на практиці розпушу­вання не завжди ефективне.

Коли чітко було виявлено наявність двох механізмів переміщення вологи в грунті при випаровуванні — капіляр­ного, який переважає при високій во­логості, і конвекційно-дифузного, що частіше спостерігається при вологості нижче ВРК, виявилося, що розпушу­вання ефективне лише при відносно високій вологості, бо при низькій з розпушеного грунту може втрачатися більше води, ніж з ущільненого. Тому для зберігання вологи пухкий грунт коткують або утворюють ущільнені прошарки на певній глибині (щоб мен­ше випаровувалось води при обох ме­ханізмах її переміщення).

На основі результатів модельних до­слідів В. П. Гордієнко побудував ма­тематичну модель випаровування води з грунту при різній щільності і вихід­ній вологості та режимі випаровуван­ня. Залежність випаровування від за­значених факторів досить складна і виражається рівнянням

У = 0,812 + 0,02555 Х3 — 0,31923 X] — — 0,11096 Х\ + 0,04906 Х2Х3 —

0,09489 ХаІХ, + 0,002883 (ЛуХі)2 —

0,0000371 (Х3/Х,)3— 0,00959 ХгХ3/Х

У — кількість води, що випарувала­ся з грунту за 3 год, мм; Х\ — об'ємна маса грунту, г/см3; Х2 — кількість во­ди, що випарувалася з вільної водної поверхні за 3 год, мм; Х3 — вихідна вологість грунту, % маси. Вираз Хз/Хі введений для вирівнювання кількості вологи в зразках грунту з різною щіль­ністю в об'ємних процентах.

Обчислювальні дослідження моделі показують, що різниця між випарову­ванням води з грунту з неоднаковою щільністю при однаковому вмісті воло­ги в зразку не дуже велика і стає по­мітною при порівняно високих показ­никах вологості та режиму висушуван­ня. Форма залежності випаровування від щільності грунту близька до пара­боли другого ступеня, тобто при ущіль­ненні до певної міри випаровування дещо збільшується, а потім починає зменшуватися (мал. 6).

Із збільшенням вмісту води в грунті збільшується і її випаровування. Фор­ма зв'язку близька до прямолінійної. Від щільності грунту воно залежить мало (мал. 7).

Результати цих досліджень показу­ють, що випаровування ґрунтової во­логи зумовлюється загальним впливом режиму висушування, вихідної воло­гості та щільності грунту. Крива випа­ровування при зміні будь-якого факто­ра на фоні постійних, але не однако­вих рівнів решти факторів може мати найрізноманітнішу форму. При постійному режимі висушуван­ня випаровування з грунту є результа­том складної динамічної взаємодії його щільності і вологості: різниця у вологості, що виникає через неоднако­ве випаровування при різній щільності грунту, постійно зменшується через те, що з більш вологого грунту вода випа­ровується інтенсивніше. Наприклад, при режимі висушування 2,4 мм і во­логості грунту 28 % об'єму при щіль­ності 0,9 г/см3 за 3 год випарувалося1,93 мм води, а при щільності 1,3 г/см3 — 2,07 мм. Водночас різниця вологості грунту в 1,8 % за тих же умов також змінює випаровування на 0,14 мм, нівелюючи вплив щільності. Отже, змінюючи щільність грунту об­робітком, можна дещо зменшити випа­ровування, але зберегти значну кіль­кість вологи в грунті на тривалий пе­ріод за рахунок цього неможливо.