5.4 Оцінка оптимальних умов тепловологозабезпечення

Руйнування природних систем життєзабезпечення відбувається в результаті непомірної техногенної дії на природу, непомірних запитів суспільства до природних ресурсів та їх надмірної експлуатації. Небезпечні процеси, що викликані антропогенною діяльністю, охвачують осі геосистеми та геосфери. Найбільш складними із небезпечних природно-антропогенних процесів є зміна клімату. Ряд ознак свідчить про те, що розпочався процес потепління, який супроводжується екстремальними відхиленнями та загальною дестабілізацією, зміною газової структури атмосфери, зменшенням озонового шару та випаданням лужних опадів. Порушується кругообіг води. Відбувається кількісне виснаження та якісне погіршення водних ресурсів. В результаті того, що триває масове зменшення площ лісів, посилюється ерозія та зменшується природна родючість ґрунтів, розширюється спустошення. Посилюються стихійні лиха, що викликані нераціональним природовикористанням. Найбільше цьому впливу підлягають райони екстремальних природних умов та крихких екосистем – гірські райони, посушливі території тощо.

Природна тепловологозабезпеченість діяльної поверхні характеризує комплекс природних виробничих сил. Існує ряд методів якісного оцінювання тепловологозабезпеченості земної поверхні, що дозволяє охарактеризувати характер взаємовідносин ресурсів теплоти та вологи, як за допомогою матеріалів безпосередніх багаторічних спостережень за елементами теплоенергетичного та водного балансів, так і за допомогою відносних показників. Як відносні показники використовуються: коефіцієнт зволоження, що характеризується відношенням суми атмосферних опадів до функції дефіциту вологості повітря; гідротермічний коефіцієнт – відношення опадів та функції температури повітря; індекс сухості клімату – відношення радіаційного балансу до суми опадів. Загальний недолік цих показників – недоврахування річного перерозподілу ресурсів вологи в активному шарі ґрунту діяльної поверхні, особливо за річні періоди.

Як показник рівня оптимальності зволоження за будь-який період часу рекомендується приймати величину оптимального запасу вологи в розрахунковому шарі ґрунту . Верхнім критерієм оптимуму зволоження діяльного шару ґрунту, при якому створюються найкращі умови для розвитку фітоценозу, є найменша вологоємність, нижнім – вологість розриву капілярних в’язей. Відхилення зволоженості від її оптимуму приводять до погіршення умов життєдіяльності або навіть до гибелі фітоценозів.

При повній сумірності теплоенергетичних ресурсів та вологи запасів справедливі рівняння

; (5.30)

,(5.31)

де – значення оптимального заносу вологи в розрахунковому шарі ґрунту, що віднесена до найменшої вологоємності.

У випадках, коли спостерігається дисбаланс між теплотою та вологою, дефіцити сумарного зволоження за будь-який відрізок часу для різного рівня оптимальності зволоження будуть такі:

; (5.32)

. (5.33)

При оптимальних співвідношеннях теплоенергетичних та водних ресурсів сумарне випаровування також наближається до оптимального значення. Відносне оптимальне випаровування:

; (5.34)

. (5.35)

Дефіцити сумарного випаровування за розрахунковий період в природних умовах тепловологобміну складають:

; (5.36)

. (5.37)

Дефіцит сумарного випаровування в умовах недостатнього зволоження характеризують невикористані на процес випаровування теплоенергетичні ресурси. Ці теплоенергетичні ресурси перевитрачаються на турбулентний теплообмін та нагрівання ґрунту. В умовах надмірного зволоження значення дефіцитів сумарного випаровування вказують на перевитрати ресурсів теплоти на випаровування, обумовлюючи недостатній турбулентний теплообмін та об’єм в ґрунті. Господарчі об’єкти проектуються з врахуванням динаміки зволоженості в роки заданої тепловологозабезпеченості.

Дефіцити сумарного зволоження в роки заданої Р% -забезпеченості:

, (5.38)

де – середнє багаторічне значення дефіциту сумарного зволоження;

–коефіцієнт варіації дефіцитів сумарного зволоження;

–нормоване відхилення з врахуванням того, що багаторічні коливання модульних коефіцієнтів дефіцитів сумарного зволоження узагальнюються інтегральною кривою нормального розподілення ймовірностей Гаусса.

Значення коефіцієнтів варіації отримують шляхом статистичної обробки дефіцитів сумарного зволоження за недостатньо довгий ряд конкретних років, а при відсутності таких даних – за емпіричними залежностями

, (5.39)

де – параметр, числові значення якого змінюються в межах 75…100 залежно від фізико-географічних умов формування дефіцитів сумарного зволоження;

–необхідний оптимальний рівень зволоження (0,8….1,0);

–середні багаторічні дефіцити сумарного зволоження за розрахунковий період при заданому рівні оптимальності (рис. 5.12).

Рисунок 5.12 – Середні багаторічні літні дефіцити сумарного зволоження, мм

Основне джерело теплоенергетичних ресурсів клімату – променева енергія Сонця, що перетворюється верхнім шаром літосфери в теплову, яка обумовлює фазові перетворення води, хімічні та біологічні процеси. На Землі утворилася повна сумірність ресурсів тепла й вологи, яка відповідно до математичної інтерпретації процесу тепловологообміну характеризується рівністю середніх багаторічних опадів і водного еквівалента теплоенергетичних ресурсів сумарного випаровування, тобто

. (5.40)

Внаслідок того, що теплоенергетичні ресурси клімату більші теплоенергетичних ресурсів процесу сумарного випаровування, при оптимальній тепловологозабезпеченості верхнього шару літосфери справедлива умова

. (5.41)

де – сумарне зволоження за оптимальних умов;

–водний еквівалент теплоенергетичних ресурсів клімату за оптимальних умов;

–водний еквівалент теплоенергетичних ресурсів сумарного випаровування за оптимальних умов;

–відносна оптимальна вологість ґрунтів як частка від найменшої вологоємності.

При оптимальних умовах зволоження рівняння водного балансу верхнього шару літосфери має вигляд:

, (5.42)

де – величини, відповідно, сумарного випаровування та стоку за оптимальних умов зволоження.