2015-10-22
1949
Расчет потока тепла в почве основан на использовании данных об изменении температуры почвы с глубиной и во времени при известных теплофизических характеристиках. Если известно, как изменилась температура почвы за некоторый период времени и определена ее объемная теплоемкость, то можно рассчитать количество тепла, которое прошло через поверхность почвы и вызвало данное изменение температуры. Для полного учета нужно рассмотреть весь слой, в котором за данный интервал времени отмечается изменение температуры. Однако на метеостанциях измеряют температуру почвы только до глубины 20 см, а средний поток тепла в почве рассчитывается за интервал времени между двумя соседними сроками наблюдений. Рекомендуется определять его по результатам наблюдений за температурой и влажностью почвы по формуле:
кал/(см2·мин) = 700 
(1)
где CV – объемная теплоемкость; τ – продолжительность интервала (в минутах), для которого находится средний поток q 1; S 1 – величина, характеризующая изменение температуры в верхнем 20-см слое почвы за интервал τ.
Для более точного расчета потока тепла в почве по данным станционных наблюдений используется формула:
(2)
где а – коэффициент температуропроводности 20-см слоя; Н 1 и Н 2 – фиксированные глубины в этом слое; S 2 – величина, характеризующая изменение во времени разности температур почвы.
Формула (2) кроме S 1, характеризующего среднее теплосодержание слоя почвы глубиной Н 1, содержит величину S 2, которая характеризует поток тепла в почве ниже уровня Н 2, и зависит от средней температуропроводности всего слоя и от разности температуры почвы на глубинах Н 1 и Н 2, рассчитанной на единицу длины. При расчете потока тепла в почве по результатам измерения температуры на стандартных глубинах 5, 10, 15 и 20 см Н 1 принимается равной 20 см, а Н 2 – равной 10 см.
Средний поток тепла в почве в соответствии с установленными сроками наблюдений вычисляется днем (с 7 до 19 час) за трехчасовые, а ночью (с 19 до 7 час) – за шестичасовые интервалы, т.е. τ составляет 180 или 360 мин.
Величина S1 вычисляется по формуле:
(3)
где S 0 = 20·0,082 Δt 0; S 5 = 20·0,333 Δt 5; S 10 = 20·0,175 Δt 10; S 15 = 20·0,156 Δt 15;
S 20 = 20·0,004 Δt 20.
Величины Δt0, Δt5, Δt10, Δt15 и Δt20 представляют собой разности между соответствующими значениями температуры почвы в последующий и предыдущий сроки наблюдений. Δt0 – аналогичная разность между температурой поверхности почвы в последующий и предыдущий период; Δt5 – такая же разность температур на глубине 5 см и т.д.
Для нахождения S1 надо выполнить следующие операции:
а) найти разности между значениями температур почвы в последующий и предыдущий сроки (Δt0, Δt5, Δt10, Δt15 и Δt20),
б) найти величины S0, S 5, S10, S15, S20,
в) сложить полученные произведения.
По этой схеме вычисляется S1 между всеми сроками наблюдений, т.е. за интервалы 1-7, 7-10, 10-13, 13-16, 16-19 и 19-1 час.
Для вычисления за интервал 1-7 час используются температуры почвы за сроки 1 и 7 часов, за интервал 7-10 часов – температуры почвы за 7 и 10 часов. Аналогично при вычислении величины для интервалов 10-13, 13-16 и 16-19 час используются соответственно значения температуры почвы за сроки 10 и 13, 13 и 16, 16 и 19 час. Среднее значение S 1 за интервал от 19 до 1 часа вычисляется по данным температуры за 19 и 1 час.
При определении потока тепла в почве за интервал 19-1 час по ежедневным данным расчет S1 производится по температуре почвы в 19 часов данных суток и в 1 час следующих.
При определении потока за этот же интервал по средним декадным и средним месячным температурам величина S1 рассчитывается по средней температуре за 19 час данной декады или месяца и средней температуры за срок 1 час, рассчитываемой следующим образом:
а) при вычислении вышеуказанной температуры за первую декаду из декадной суммы за срок 1 час на каждой глубине высчитывается соответствующее значение температуры за 1-е число и прибавляется значение температуры за 11-е число (например, декадная сумма за срок 1 час на глубине 5 см составляет 143,5. Из этой суммы вычитаем значение температуры за 1-е (10,9) и прибавляем значение температуры за 11-е (16,0). Средняя температура за этот срок 1 час равна: 143,5 – 10,9 + 16,0/10 = 14,9). Аналогично при вычислении средней температуры за вторую декаду из декадной суммы вычитается значение температуры за 11-е число и прибавляется значение за 21 число; для третьей декады – из суммы вычитается значение температуры за 21-е и прибавляется ее значение за 1-е число следующего месяца;
б) при вычислении средней температуры за месяц из месячной суммы температур за срок 1 час на каждой глубине вычитается ее значение за 1-е число данного месяца и прибавляется значение температуры за 1-е число следующего месяца.
Значения q1, рассчитанные по формуле (1), являются средними для интервалов 1-7, 7-10, 10-13, 13-16, 16-19 и 19-1 час. Для определения же потока тепла в почве непосредственно в сроки 1, 7, 10, 13, 16, 19, 1 час необходимо вычислить среднее между потоками за два соседних интервала. Например, для срока 1 час:
(4)
Здесь q - поток в срок 1 час, q1(19-1 ) и q 1(1-7) – средние потоки для интервалов 19-1 и 1-7 час.
Расчеты делаются в соответствии с примером, помещенным в таблицах 1, 2 и 3.
Пример расчета потока тепла в почве
Таблица 1
| Глубина, см | Время наблюдений | ||||||
| 100 | 700 | 1000 | 1300 | 1600 | 1900 | 100 | |
| 14,3 | 20,4 | 34,1 | 39,5 | 33,4 | 21,8 | 15,6 | |
| 19,3 | 18,9 | 26,2 | 29,9 | 28,7 | 24,8 | 21,6 | |
| 20,9 | 19,1 | 21,1 | 25,0 | 25,6 | 24,6 | 23,5 | |
| 21,4 | 19,7 | 20,3 | 22,2 | 23,6 | 23,9 | 24,5 | |
| 21,5 | 20,1 | 20,1 | 21,1 | 22,2 | 23,0 | 24,6 |
Таблица 2
Разность температуры (∆t) между сроками на глубинах
| Глубина, см | Интервал времени, час | |||||
| 7-1 | 10-7 | 13-10 | 16-13 | 19-16 | 1-19 | |
| 6,1 | 13,7 | 5,4 | -6,1 | -1,6 | -6,2 | |
| -0,4 | 7,3 | 3,7 | -1,2 | -3,9 | -3,2 | |
| -1,8 | 2,0 | 3,9 | 0,6 | -1,0 | -1,1 | |
| -1,7 | 0,6 | 1,9 | 1,4 | 0,3 | 0,6 | |
| -1,4 | 0,0 | 1,0 | 1,1 | 0,8 | 1,6 |
Таблица 3
| Интервал времени, час | |||||||
| 19-1 | 1-7 | 7-10 | 10-13 | 13-16 | 16-19 | 19-1 | |
| S0 | - | 10,00 | 22,47 | 8,86 | -10,00 | -19,02 | -10,17 |
| S5 | - | -2,66 | 48,62 | 24,64 | -7,99 | -25,97 | -21,31 |
| S10 | - | -6,30 | 7,00 | 13,65 | 2,10 | -3,50 | -3,85 |
| S15 | - | -5,30 | 1,87 | 5,93 | 4,37 | 0,94 | 1,87 |
| S20 | - | -0,11 | 0,00 | 0,08 | 0,09 | 0,06 | 0,13 |
| S1 | -33,33 | -4,37 | 79,96 | 53,16 | -11,43 | -47,49 | -33,33 |
| τ | |||||||
| Сρ/τ | 0,00178 | 0,00178 | 0,00356 | 0,00356 | 0,00356 | 0,00356 | 0,00178 |
| q 1 | -0,06 | -0,01 | 0,28 | 0,19 | -0,04 | -0,17 | -0,06 |
| срок | |||||||
| q | -0,04 | 0,14 | 0,24 | 0,08 | -0,10 | -0,12 |
