Školska · 2020. 11. 9. · energetski bilans (shematski prikaz) solarna konstanta 0.082 mj m-2...

1

NAVODNJAVANJEŠKOLSKA 2019/2020

Predmetni nastavnici:prof.dr Miloš Stanić, dipl. građ. inž.doc.dr Željko Vasilić, dipl. građ. inž.

Beograd, 2020.

EVAPOTRANSPIRACIJA

UNIVERZITET U BEOGRADU

GRAĐEVINSKI FAKULTET

Водни биланс – хидролошки циклус

Водни биланс - збир улазних и излазних количина воде (без обзира на агрегатно стање) на одређену површину и у току одређеног временског периода

2



3

Водни биланс – компоненте

Водни биланс – компоненте

- Вертикални водни биланс активног слоја незасићене срединена нивоу елементарне површине dА:

TEqPPdt

dV

dA dotv

1

- Биланс подземне воде:

dyxe q)y

k(y

)x

k(xt

S

4

TEqPPdt

dV

dA dotv

1

Водни биланс – евапорација



dyxe q)y

k(y

)x

k(xt

S


Евапорација:

- испаравање (са земљишта)

- процес у коме вода из течног прелази у гасовито агрегатно стањетрошећи при томе енергију

- потребни услови за испаравање:• енергија (највећим делом потиче од директног сунчевог зрачења, амањим, од размене топлоте са околином)

• градијент влажности ваздуха (најзначајнији утицај ветра)

- са испаравањем, влажност ваздуха изнад површине терена се повећава иуколико се не транспортује и замени сувим ваздухом, евапотранспирацијасе успорава и може у потпуности да престане

- највећи утицај на транспорт влажног ваздуха има брзина ветра

e (kPa)

Z

5


Евапорација зависи од:

- климатолошких параметара:• сунчево зрачење• температура ваздуха• влажност ваздуха• брзина ветра

- услова у земљишту:• влажност земљишта• могућност земљишта да транспортује воду из дубљих слојева

- покривености земљишта вегетацијом (вегетација одређује степен изложености површине терена директном сунчевом зрачењу)

TEqPPdt

dV

dA dotv

1

Водни биланс – транспирација



dyxe q)y

k(y

)x

k(xt

S

6

Водни биланс – транспирација

Транспирација:

- процес повлачења воде из земљишта, њено искоришћење у развоју биљкеи испаравање кроз лишће (биљка повлачи воду у течном стању и хранљиве материје кроз корен ипретвара их у водену пару која кроз лист одлази у атмосферу)

- зависи, слично као и евапорација, од:- климатолошких параметара:

• сунчево зрачење• температура ваздуха• влажност ваздуха• брзина ветра

- услова у земљишту:• влажност земљишта• могућност земљишта да транспортује воду из дубљих слојева

- типа културе која се гаји, као и од фазе развоја биљке

- разлика се јавља у стању потпуне засићености земљишта водом:евапорација се повећава, а транспирација се смањује (засићеност неповољно утиче на биљку)

Водни биланс – евапотранспирација


TEqPPdt

dV

dA

1dot


dyxe q)y

k(y

)x

k(xt

S

7


Евапотранспирација:- збир два процеса (евапорације и транспирације), имајући у виду да су они

веома повезани и да их је тешко раздвојити

- у почетним фазама развоја биљке, готово да нема транспирације -укупна потрошња воде одлази на евапорацију

- са порастом биљке, земљиште је све мање изложено сунчевом зрачењу (заклоњено је сенком коју ствара биљка) - транспирација постаје доминантна


Референтна евапотранспирација:

- уводи се да би се олакшао прорачун

- зависи само од климатолошких параметара, елиминише се утицај:• услова у земљишту и • врсте вегетације и фазе развоја вегетације

- испаравање са референтне површине која има довољну влажност (земљиште је натопљено водом)

- референта култура је густа трава висине 12 cm, која има оптималне условеза развој

- препоручена метода прорачуна: Penman-Monteith

8


Прорачун референтне евапотранспирације применом једначине Penman-Monteith:

)()1(

)(273

187250)(

120

danmMJ

rr

ree

TGR

ET

a

s

a

asn

ЕТо - референтна евапотранспирација (mm/dan) - латентна топлота испаравања (МЈ/kg)Rn - нето радијација (МЈ/(m2 dan))G - размена топлоте са земљом (МЈ/(m2 dan))es-еa - дефицит засићене водене паре (kPa) - извод криве засићене водене паре (kPa/оC) - психрометријска константа (kPa/оC)rа, rs - аеродинамички и отпор површине (s/m)

Водни биланс – евапотранспирација Прорачун референтне евапотранспирације

применом једначине Penman-Monteith:

Улазни подаци:

1. који се односе на локацију- географска ширина -> Rа , N- надморска висина -> pa

2. метеоролошки подаци- температура ваздуха (Тmin , Тmаx )- влажност ваздуха (еа или RH)- брзина ветра (U2)- нето радијација (Rn) или осунчаност (n)

e (kPa)

Z

9

Водни биланс – евапотранспирација Прорачун референтне евапотранспирације

применом једначине Penman-Monteith:

Улазни подаци: 2. метеоролошки подаци

Водни биланс – евапотранспирација Референтнa евапотранспирација – улазни подаци

Температура

- поред падавина је најчешће мерена метеоролошка величина- утиче на испаравање, транспирацију, топљење снега - дневне и сезонске варијације – последица позиције Земље у односу на- просторне варијације: географски положај, надморска висина

(температура опада за 0.65оC на 100 м висине)- мерење: у мет. заклонима на 2 м висине- термометри (живини и алкохолни)- термографи (континуално)- максимални и минимални термометар

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Varijacije prose~ne mese~ne max i min. dnevne temperature (oC)

t (mes)

10


Брзина ветра

- брзина ветра се као и сваки вектор описује правцем и интензитетом

- брзина ветра зависи од висине на којој је постављен анемометар

- за прорачун ET0 су потребни подаци о брзини ветра на 2м од површине терена (U2)

)42.5z78.6ln(

87.4UU z2

bzazu

azzu b

log)(

)(

Распоред брзина у граничном слоју:

17.912534.8orkan (uragan)12 (-17)

15.711030.5vihor11

13.69626.4žestoka oluja10

11.68222.6jaka oluja9

9.76818.9oluja8

8.05515.5olujni vetar7

6.34412.3žestok vetar6

4.8349.3jak vetar5

3.4246.7umereni vetar4

2.3164.4slab vetar3

1.292.4povetarac2

0.530.9lahor1

000tišina0

čvorovakm/hm/sopisBoforov broj

17.912534.8orkan (uragan)12 (-17)

15.711030.5vihor11

13.69626.4žestoka oluja10

11.68222.6jaka oluja9

9.76818.9oluja8

8.05515.5olujni vetar7

6.34412.3žestok vetar6

4.8349.3jak vetar5

3.4246.7umereni vetar4

2.3164.4slab vetar3

1.292.4povetarac2

0.530.9lahor1

000tišina0

čvorovakm/hm/sopisBoforov broj


Брзина ветра

11


Влажност ваздухаНапон водене паре је парцијални притисак водене паре у укупном атмосферском притиску који је директна мера влажности ваздуха.

Парцијални притисак водене паре који се остварује при равнотежиизмеђу молекула воде који испаравају и оних који се из ваздуха враћајуна површину је напон засићене водене паре еs (kPa).

)3.237T

T27.17exp(6108.0)T(es


Влажност ваздуха

Са повећањем температуре, расте капацитет ваздуха за пријем молекулаводе, а самим тим и напон засићене водене паре.

Релативна влажност ваздуха је однос стварног и засићеног напона водене паре.

2)3.237(

)(4098)(

T

Te

dT

deT ss

(%)100s

a

e

eRH

Са порастом температуре расте нагиб криве засићене водене паре (kPa/оC).

12


Влажност ваздухаДефицит водене паре (еs - еа) је разлика између напона засићене водене паре и стварног напона водене паре и мера је способности ваздуха да прихвати нове молекуле воде.


Радијација - енергетски флукс – протицај енергије по јединици површине (МЈ m-2dan-1)

Rla

Rle= e T4

granica atmosfere Ra

Rnl = Rle - RlaRs=Ra (as+bs (n/N)) Rs=0.23 Rs

povrsina zemlje

Rns= (1-)Rs

Rn= Rns-Rnl

G

H ET

ENERGETSKI BILANS(shematski prikaz)

Solarna konstanta0.082 MJ m-2 min-1

gusta trava visine 12 cm

z

ra=208/U2 s m-

1

rs=70 s m-1

2m

Uz

U2

13

Водни биланс – евапотранспирација Референтнa евапотранспирација – улазни подациРадијација на граници атмосфере

Соларна константа је максимална-потенцијална количина енергије која по јединици времена и јединици површине стиже на границу атмосфере.Радијација на граници атмосфере (Ra) која долази у току дана на јединицу површине у јединици времена зависи од соларне деклинације, која је функција периода године и географске ширине (астрономска величина).


Релативна инсолација (n/N)Релативна инсолација је однос:

стварног-мереног трајања сунчевог сјаја – n (h/dan)

потенцијалног трајања сунчевог сјаја – N (h/dan).

Потенцијално трајање сунчевог сјаја N је астрономска величина којазависи од периода године и географске ширине.

14


Краткоталасна – сунчева радијација (Rs)Део радијација која стиже на границу атмосфере Rа се потроши на загревање атмосфере, део се рефлектује од облака или честица прашине и преостала радијација се назива краткоталасна радијација.

)(N

nbaRR ssas

Rla

Rle= e T4



povrsina zemlje

Rns= (1-)Rs

Rn= Rns-Rnl

G

H ET

ENERGETSKI BILANS (shematski prikaz)



z

ra=208/U2 s m-

1

rs=70 s m-1

2m

Uz

U2

Константе as и bs имају вредности: as =0.25 и bs =0.5.


Нето краткоталасна радијација (Rns)Део радијације се рефлектује од површине земље. Коефицијент рефлексије се назива албедо () и зависи од површине. Албедо се креће у опсегу од 0.85 (снег) до 0.10 (влажно земљиште без вегетације). За траву албедо износи 0.23.Преостала радијација која остаје на располагању назива се нето краткоталасна радијација.

sns RR )1(

Rla

Rle= e T4



povrsina zemlje

Rns= (1-)Rs

Rn= Rns-Rnl

G

H ET




z

ra=208/U2 s m-

1

rs=70 s m-1

2m

Uz

U2

15


Нето дуготаласна радијација (Rnl)

)9.01.0()14.034.0()(2/ 44

N

neTTR amnmxnl

nlnsn RRR

Нето радијација (Rn) - нето расположива количина енергије за испаравање

Rla

Rle= e T4



povrsina zemlje

Rns= (1-)Rs

Rn= Rns-Rnl

G

H ET




z

ra=208/U2 s m-

1

rs=70 s m-1

2m

Uz

U2


Размена топлоте са земљом (G)За прорачун ове компоненте енергетског биланса уводи се претпоставка да промена температуре земљишта прати промену температуре ваздуха.

Rla

Rle= e T4



povrsina zemlje

Rns= (1-)Rs

Rn= Rns-Rnl

G

H ET




z

ra=208/U2 s m-

1

rs=70 s m-1

2m

Uz

U2

)( 121

danmMJt

TTzcG ii

s

cs – топлотни капацитет зем. (MJ m-3 oC-1)(=2.1 MJ m-3 oC-1 )

T – промена темп. ваздуха у периоду tt – дискретизација по времену (дан или месец)z – ефективна дубина земљишта која учествује у размени топлоте. Ако је t дан усваја се z 0.1 до 0.2 м.Ако је t месец усваја се z 1 до 2 м.

16


Глобалне вредности компоненти енергетског биланса


Латентна топлота испаравања ()Количина енергије која је потребна да се 1 кг воде претвори у 1 кг водене паре, под претпоставком да су притисак и температура константни.Вредност мало варира у односу на вредност 2.45 МЈ кг-1 која се односи на температуру од 20 оC.

Психрометријска константа ( )cp - специфична топлота ваздуха на константом притиску,

1.013 10-3 (МЈ kg-1 оC-1)pa - атмосферски притисак (кPa) - однос молекуларне тежине водене паре и сувог ваздуха (0.622)

ap pc

17


Аеродинамички отпор испаравању (ra)Могућност испаравања и трансфера топлоте и водене паре у више слојеве зависи од аеродинамичког отпора: ra=coef / U2 (s m-1)Коефицијент coef зависи од висине вегетације. За референтну површину (трава 12 цм висине) усваја се вредност 208.

Отпор вегетације испаравању (rs )Зависи од врсте вегетације и фазе развоја.У случају референтне вегетације – траве, узима се константна вредност: 70 s m-1

Rla

Rle= e T4



povrsina zemlje

Rns= (1-)Rs

Rn= Rns-Rnl

G

H ET




z

ra=208/U2 s m-

1

rs=70 s m-1

2m

Uz

U2

Водни биланс – евапотранспирација Референтнa евапотранспирација – извођење

EHGRn

a

pa

a

pa

r

eecE

r

TTcH

2

1

pa

pa

ee

TT

E

H

Bowen-oв однос:

Енергетски биланс:

=(cp pa)/( )

Психрометријска константа:

gde su:cp – specifična toplota vazduha

na konstantom pritisku, 1.013 10-3 (MJ kg-1 oC-1)

pa - atmosferski pritisak (kPa) - odnos molekularne težine

vodene pare i suvog vazduha (0.622)

- latentna toplota isparavanja ( = 2.45 MJ kg-1)

18


pa

psass

TT

TeTe

dT

de

)()(

Зa земљиште засићено водом: es(Tp) = ep

ps

pa

eeTT

)1(ap

as

pa

ps

ee

ee

E

H

ee

ee

E

H

Bowen-oв однос:


У изотермним условима испаравања (Tp=Ta i ep = es), испаравање се рачуна:

Однос изотермног и стварног испаравања ap

asa

ee

ee

E

E

EHGRE

E

E

H

n

a

)1(

a

asapa r

eecE

)(

aE

aasapn reecGRE

/)()(

[MJ m-2 dan-1]

Из Bowen-овог односа и једначине енергетског биланса добија се коначна форма једначине за прорачун испаравања:

19


)1(

)(

273

187250)(

0

a

s

a

asn

r

rr

ee

TGR

ET

Референтнa евапотранспирација – извођење

Заменом израза за густину ваздуха:

и константи у претходној једначини и увођењем параметра rs

који представља отпор испаравању кроз вегетацију добија се:

За прорачун референтне евапотрацпирације ETo узима се да су:Албедо: α = 0,23Отпор испаравању кроз вегетацију: rs = 70 s m-1

Аеродинамички отпор испаравању: ra = 208/U2 s m-1

)()273(287.0

1 3

mkg

T

paa

Водни биланс – евапотранспирација Пример прорачуна ЕТо:

Дате су следеће просечне месечне вредности:Tmин = 34.8 oCTmаx = 35.6 oCea = 2.85 kPaU2 = 2 m/sn = 8.5 h/danT = 1 oCНа основу података о географској ширини и месецу у години, срачунате су следеће астрономске величине:Ra = 38.06 MJ m-2 dan-1

N = 12.31 h/danНа основу података о надморској висини срачунат је атмосферски притисак и вредност психрометријске константе:pa = 101.3 kPa = 0.665 10-3 pa= 0.0674 kPa oC-1

Tsr = (Tmax+Tmin)/2 = 30.2 oCes(Tmax) = 5.56 kPa, es(Tmin) = 3.28 kPaes = (es(Tmin)+es(Tmax) )/2 = 4.42 kPa(es-ea) = 1.57 kPa(Tmax)= 0.306 kPa oC-1, (Tmin)=0.182 kPa oC-1, = ((Tmax)+(Tmin))/2 = 0.244 kPa oC-1

Прорачун прос.температуре, напона зас.вод.паре, дефицита вод.паре и нагиба криве зас.вод.паре :

20


Пример прорачуна ЕТо:

Прорачун нето расположиве количине енергије за испаравање (Rn)n/N = 0.69Rs = (0.25 + 0.50 (n/N)) Ra = 22.65 MJ m-2 dan-1

α=0,23Rns = (1- α) Rs = 0.77 . 22.65 =17.44 MJ m-2 dan-1

(T4minK+ T4

maxK)/2 = 41.58 MJ m-2dan-1

e = 0.34-0.14 ea0.5 = 0.10

(0.1+0.9 n/N) = 0.72Rnl = 41.58 . 0.10 . 0.72 = 3.11 MJ m-2 dan-1

Neto raspoloživa količina energijeRn = Rns-Rnl = 14.33 MJ m-2 dan-1

Размена топлоте са земљомG = 0.14 (Ti-Ti-1) = 0.14 MJ m-2 dan-1

rs = 70 s m-1

ra=208/ U2=104 s m-1

/(+ (1+rs/ra)) = 0.684 /(+ (1+ rs/ra)) = 0.189


Пример прорачуна ЕТо:

Радијациона компонента испаравања:ETrad = (Rn-G) / λ (+ (1+rs/ra)) = 3.97 mm/dan

Аерациона компонента испаравања:ETaer = /(+ (1+rs/ra)).187250 /(T+273) (es-ea)/ra = 1.75 mm/dan

РЕФЕРЕНТНА ЕВАПОТРАНСПИРАЦИЈА:

ET0 = ETrad + ETaer = 5.72 mm/dan

21


Прорачун потенцијалне евапотранспирације ETp = Kc.ET0

Školska · 2020. 11. 9. · energetski bilans (shematski prikaz) solarna konstanta 0.082 mj m-2...

Documents