水面蒸發(fā)

根據(jù)蒸發(fā)的發(fā)生機(jī)制，可將影響蒸發(fā)的因素分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是物體表面以上的氣象條件，如太陽(yáng)輻射、溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓等；另一類(lèi)是物體自身的因素，對(duì)于水面蒸發(fā)來(lái)說(shuō)，有水體表面的面積和形狀、水深、水質(zhì)和水面的狀況等因素。以下分別就這些因素作簡(jiǎn)單的分析。

（1）太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)輻射直接供給蒸發(fā)所需的能量，尤其對(duì)水面蒸發(fā)來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射幾乎都用于蒸發(fā)，因此，太陽(yáng)輻射是影響蒸發(fā)的主要因素。太陽(yáng)輻射有日變化、季節(jié)變化和年際變化，水面蒸發(fā)也會(huì)隨著這些變化而發(fā)生相應(yīng)地變化。

（2）溫度。隨著水溫的增加，水分子的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加快，從而更易于逸出水面，所以水面蒸發(fā)量會(huì)隨著水面溫度的增加而增加。而直接影響水溫的主要因素是氣溫，所以氣溫的變化會(huì)影響水面蒸發(fā)的變化。但由于水面蒸發(fā)的影響因素較為復(fù)雜，氣溫的變化有時(shí)與水面蒸發(fā)規(guī)律并不十分一致。

（3）濕度。水面上方大氣的濕度增加，其中的水汽分子數(shù)量增加，飽和水汽壓差減小，水面與大氣的水汽壓差越小，水分子由水面逸出的速度越慢。因此，在相同條件下，空氣濕度越小，水面蒸發(fā)量越大。同時(shí)，濕度的變化與氣溫也有著十分密切的關(guān)系。

（4）水汽壓差。水汽壓差是指水面的水汽壓與水面上空一定高度的大氣水汽壓之差。一般來(lái)說(shuō)，空氣密度越大，單位體積的水汽分子數(shù)量越多，水汽壓就越大；反之，則水汽壓越小。大氣的水汽壓越大，水面與大氣的水汽壓差越小，水面蒸發(fā)量也越小，這與濕度變化對(duì)蒸發(fā)的影響基本一致。

（5）風(fēng)速。風(fēng)能夠加強(qiáng)空氣之間的對(duì)流和交換，使水面上空的水汽分子不斷被帶走，從而保證蒸發(fā)面與上空始終保持一定的水汽壓差，使得蒸發(fā)持續(xù)進(jìn)行。在一定范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，空氣流動(dòng)越快，越有利于水汽在空氣中的對(duì)流和交換，從而增加水汽界面的水汽壓差，越有利于水面的蒸發(fā)。但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí)，水面的蒸發(fā)趨于穩(wěn)定，此時(shí)影響相對(duì)較小。同時(shí)當(dāng)冷空氣到來(lái)時(shí)，風(fēng)速增加不僅不會(huì)促進(jìn)水面蒸發(fā)，相反還會(huì)減少蒸發(fā)，甚至導(dǎo)致凝結(jié)。

（6）水面面積。水體蒸發(fā)表面是水分子汽化時(shí)必經(jīng)的通道。一般來(lái)說(shuō)，水面面積越大，則蒸發(fā)量越大，蒸發(fā)作用進(jìn)行得越快。對(duì)于局部區(qū)域來(lái)說(shuō)，水面面積越大，其上空的水汽越不易被帶離水面區(qū)域，水面上空的水汽含量越多，越不利于水面蒸發(fā)的進(jìn)行。

（7）水深。水體的深淺對(duì)水面蒸發(fā)也有一定的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，春夏兩季淺水比深水水面蒸發(fā)量大，秋冬兩季則相反。這是因?yàn)槿羲钶^淺，水體的上、下部分交換相對(duì)比較容易，混合充分，水體各部分溫差小，幾乎相同，并與氣溫變化基本一致，對(duì)水面蒸發(fā)的影響較為顯著。春夏兩季氣溫較高，水溫也較高，水面蒸發(fā)量大，秋冬兩季水面蒸發(fā)量則較小。水深較大，水溫在0～4。C變化時(shí)，水體存在“熱縮冷脹”的效應(yīng)，從而使水體上下部分產(chǎn)生對(duì)流作用；當(dāng)水溫超過(guò)4℃時(shí)，對(duì)流作用停止。此外，水深大，水體蘊(yùn)藏的熱量也大，這對(duì)水溫將起到一定調(diào)節(jié)作用，使水面蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化顯得比較穩(wěn)定。

（8）水質(zhì)。水面蒸發(fā)不僅會(huì)受水量影響，而且還受到水質(zhì)的影響，即水中溶解溶質(zhì)多少的影響。一般來(lái)說(shuō)，水中溶質(zhì)的濃度越大，水體蒸發(fā)量越小，比如海水比淡水的蒸發(fā)量就小2%～3%。這是由于溶質(zhì)的存在而減小了單位水面面積內(nèi)水分子的數(shù)量，即在本質(zhì)上減小了純水面蒸發(fā)面積，從而減小了水體的蒸發(fā)量。

此外，水體蒸發(fā)表面若有雜物等覆蓋，水體表面接受的太陽(yáng)輻射就會(huì)減少，水體蒸發(fā)量也會(huì)隨之減小。

水面蒸發(fā)量的計(jì)算方法大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是理論計(jì)算方法，另一類(lèi)是經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。所謂理論計(jì)算方法即就是有較強(qiáng)物理基礎(chǔ)的方法，如熱量平衡法、空氣動(dòng)力學(xué)法和水量平衡法等，這些計(jì)算方法分別是利用熱量平衡、空氣動(dòng)力學(xué)和水量平衡等原理和理論來(lái)確定水面蒸發(fā)量。理論計(jì)算方法主要包括熱量平衡法、空氣動(dòng)力學(xué)方法、綜合法以及水量平衡法。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法一般是在對(duì)實(shí)測(cè)資料的精度要求不很高的情況下，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)水面蒸發(fā)量進(jìn)行估算的方法。除此之外，還有一種較為常見(jiàn)的方法，即器測(cè)法。

單位時(shí)間從水面蒸發(fā)的水量稱(chēng)水面蒸發(fā)率,以毫米/日計(jì)。水面蒸發(fā)量可用儀器直接觀測(cè)確定，也可估算。中國(guó)采用的直接觀測(cè)水面蒸發(fā)的儀器有20厘米直徑小型蒸發(fā)器，80厘米直徑套盆式蒸發(fā)器。60年代初選用 E-601型蒸發(fā)器為全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)儀器。蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站則采用20和 100平方米蒸發(fā)池和漂浮蒸發(fā)器。大水體的蒸發(fā)量的確定要用各種蒸發(fā)器測(cè)得的蒸發(fā)量乘以折算系數(shù)。折算系數(shù)隨蒸發(fā)器面積大小，季節(jié)和氣候區(qū)等不同而異。

大水體蒸發(fā)量的間接估算可用水量平衡法，即根據(jù)降水、徑流和蓄水量等要素推求自然水體某一時(shí)段的水面蒸發(fā)量。這種方法精度受測(cè)量誤差的影響，應(yīng)用受到一定限制。另一種是熱量平衡法，是通過(guò)測(cè)算太陽(yáng)短波輻射,大氣和水面長(zhǎng)波輻射,進(jìn)出水體的熱量、對(duì)流的熱量和水體的儲(chǔ)熱量等來(lái)估算蒸發(fā)量。如有觀測(cè)資料，這個(gè)方法能估算到 1小時(shí)的時(shí)段蒸發(fā)量，但由于其中幾個(gè)必要的項(xiàng)目難估算，易產(chǎn)生誤差。經(jīng)驗(yàn)公式與半經(jīng)驗(yàn)公式法是根據(jù)蒸發(fā)的影響因素之間的關(guān)系推求水面蒸發(fā)量。

關(guān)于水面蒸發(fā)的研究，遠(yuǎn)在1687年，天文學(xué)家哈利(E. Halley)用蒸發(fā)器觀測(cè)水面蒸發(fā)量。1802年道爾頓(J. Dalton)提出蒸發(fā)量與水汽壓差成比例關(guān)系。1915年施米特(W. Schmidt)應(yīng)用熱量平衡原理，確定洋面蒸發(fā)。1939年桑斯韋特與霍爾茲曼(C.W.Thornthwaite & Benjamin Halzman)導(dǎo)出質(zhì)量轉(zhuǎn)移法計(jì)算蒸發(fā)公式。約于1920年左右，一些學(xué)者于水面撒布單分子薄膜， 以試驗(yàn)控制蒸發(fā)。中國(guó)于20世紀(jì)20年代開(kāi)始用直徑80厘米蒸發(fā)器觀測(cè)水面蒸發(fā)，50年代開(kāi)展蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究。80年代初根據(jù)全國(guó)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)資料，確定了不同氣候區(qū)的各類(lèi)蒸發(fā)器折算系數(shù)及水面蒸發(fā)計(jì)算模型。

自然條件下的蒸發(fā)是水分和熱量的綜合反映，一般來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)的發(fā)生取決于兩個(gè)條件：一個(gè)是將水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的熱能；另一個(gè)是是否有水分的供應(yīng)，以及水分供應(yīng)的狀況。水面蒸發(fā)是最簡(jiǎn)單的蒸發(fā)形式，屬于水分供應(yīng)不受限制的蒸發(fā)面。因此蒸發(fā)主要受制于水面所接受的太陽(yáng)輻射能量。對(duì)于一個(gè)自由水面來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射熱量進(jìn)入水體使得水體表層溫度升高，水分子動(dòng)能增加，運(yùn)動(dòng)加劇，且水面溫度愈高，水分子的運(yùn)動(dòng)愈活躍。由于水分子之間本身存在著一定的相互作用力，即內(nèi)聚力，使得水分子聚集于水體。但當(dāng)水分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能大于水分子之間的內(nèi)聚能時(shí)，水分子就能從水體逸出而散失到大氣當(dāng)中，此即為蒸發(fā)的物理機(jī)制。由于水體獲得的能量不是均勻的，只有表層那些動(dòng)能足夠大的水分子才能突破水面進(jìn)入大氣，所以蒸發(fā)主要在水的表層發(fā)生。通常將單位水量從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)所吸收的熱量稱(chēng)為蒸發(fā)潛熱或大氣蒸發(fā)能力。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和混合氣體壓強(qiáng)公式，溫度和體積一定時(shí)，氣體的壓力正比于氣體的分子數(shù)。在蒸發(fā)的初期，由于空氣中水汽分子的數(shù)量相對(duì)較少，因而水汽壓也較小。

水面與空氣中的水汽壓差則較大，由水面逸出的水分子數(shù)量較多。相反的，從空氣中返回水面的水分子數(shù)量較小。通常認(rèn)為水面逸出的水分子數(shù)量與返回水面的水分子數(shù)量之差，就是實(shí)際觀測(cè)到的蒸發(fā)量或蒸發(fā)強(qiáng)度。

隨著蒸發(fā)的不斷進(jìn)行，從水面躍入空氣中的水汽分子愈來(lái)愈多，以致水面以上大氣中的水汽含量越來(lái)越多，水汽壓也就愈大，水面與空氣中的水汽壓差減小，水汽分子由水面進(jìn)人大氣的速率明顯減小，而空氣中的水汽分子返回水面的速率則明顯增大。對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩者進(jìn)行到一定程度時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)躍出水面的水汽分子數(shù)等于進(jìn)入水面的水汽分子數(shù)，此時(shí)空氣與水面的水汽壓差為零，蒸發(fā)因此停止。水汽壓差為零時(shí)，空氣中的水汽分子達(dá)到飽和，此時(shí)的水汽壓稱(chēng)為飽和水汽壓。如果水面的溫度繼續(xù)增加，空氣中的蒸發(fā)又開(kāi)始進(jìn)行，直到空氣中的水汽分子再次達(dá)到飽和為止。因此，對(duì)于封閉的自由水面來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)速率主要取決于水面和水面以上大氣之間的水汽壓差。

在自然條件下，由于空氣的體積是無(wú)限的，水面上空氣中的水汽分子存在一定的濃度梯度，由水面進(jìn)入大氣的水汽分子會(huì)通過(guò)空氣對(duì)流、紊動(dòng)以及水汽的擴(kuò)散等作用不斷的沿梯度方向向上輸送，從而減少了水面以上空氣中的水分子數(shù)，降低了水汽壓，使其很難達(dá)到飽和狀態(tài)，因此實(shí)際上不可能出現(xiàn)空氣與水面的水汽壓差為零的情況。所以自然條件下的蒸發(fā)量不僅與飽和水汽壓差有關(guān)，還與空氣的對(duì)流和紊動(dòng)以及水汽的擴(kuò)散等作用有關(guān)，而影響這些作用的因素主要有風(fēng)速、氣壓、濕度等氣象條件。

水面蒸發(fā)消耗水分，也消耗熱能，因此抑制蒸發(fā)是保護(hù)水熱資源的重要措施。抑制方法尚處在實(shí)驗(yàn)研究階段，可用油脂薄膜和用單分子薄膜減緩水分子的擴(kuò)散。常用的藥劑為十六烷醇（C16H33OH）、十八烷醇(C18H37OH)或其他混合劑。

FFZ-01型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)由蒸發(fā)桶（池）和數(shù)字式水面蒸發(fā)傳感器為蒸發(fā)量觀測(cè)器具，以專(zhuān)用采集控制器采集處理蒸發(fā)數(shù)據(jù)并完成蒸發(fā)器自動(dòng)補(bǔ)排水控制，實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)過(guò)程的高精度實(shí)時(shí)在線測(cè)量。

本儀器的蒸發(fā)傳感器采用分辨力為0.1mm的信源數(shù)字編碼型傳感器，在高溫、高濕、風(fēng)浪、沙塵環(huán)境下能穩(wěn)定、可靠地工作。

蒸發(fā)計(jì)結(jié)構(gòu)、工作原理

FFZ-01型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)由蒸發(fā)桶、水圈、連通管、水位編碼器、浮子、測(cè)纜、平衡錘、靜水桶、圓形支板、調(diào)水平裝置、自動(dòng)補(bǔ)排水裝置、采集控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)采集器）等組成。安裝時(shí)將蒸發(fā)桶、連通管、靜水桶組成連通器；水位編碼器、采集器、調(diào)平衡裝置水平安裝在靜水筒的圓形支板上；浮子、測(cè)纜、平衡錘纜分別懸掛在水位編碼器的測(cè)輪圓周的兩個(gè)凹槽內(nèi)，浮子安裝在靜水桶內(nèi)。當(dāng)蒸發(fā)桶中的水面蒸發(fā)引起水位下降時(shí)，靜水桶中的水面同步下降，浮子即拉動(dòng)測(cè)纜帶動(dòng)測(cè)輪和編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器即可輸出與水面下降量相對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)。采集器通過(guò)采集對(duì)應(yīng)時(shí)段范圍內(nèi)的水位變化量，計(jì)算出時(shí)段水面蒸發(fā)量。

本儀器裝有不銹鋼防風(fēng)、防塵外罩，靜水桶采用了和蒸發(fā)桶同樣的半埋式結(jié)構(gòu)，以盡量保證了靜水桶和蒸發(fā)桶中的水溫一致，使傳感器能在惡劣的室外環(huán)境下可靠地工作。

對(duì)于FFZ-01型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)而言，蒸發(fā)桶的直徑為Φ612mm，其面積為3000cm2，靜水桶工作區(qū)段直徑為Φ240mm，面積為453.27cm2，當(dāng)蒸發(fā)桶中的蒸發(fā)量為0.1mm時(shí)（即相當(dāng)于從蒸發(fā)桶中取出30ml水時(shí)）浮子感測(cè)到的水位變化量△h只有0.086896㎜。其中，△h= S1/（S0 S1） =457.27/（3000 453.27） =0.086896(mm)。式中：S0=3000cm2S1=πr2 =3.1416×(12cm)2 =453.27cm2。

因此，用螺旋測(cè)針在本蒸發(fā)桶中人工測(cè)量的數(shù)據(jù)與本數(shù)字蒸發(fā)計(jì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)相對(duì)比時(shí)，應(yīng)將人工測(cè)針測(cè)量數(shù)值除以0.086896才是實(shí)際蒸發(fā)量。

蒸發(fā)計(jì)使用方法

FFZ-01型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)與20平方米蒸發(fā)池配套使用時(shí)，因?yàn)閭鞲衅黛o水桶的面積只有蒸發(fā)池面積2.4‰，可以基本上不考慮靜水桶與蒸發(fā)池之間水體的交換的影響。可以用連通管直接與蒸發(fā)池相連接，或者將蒸發(fā)傳感器的靜水桶安裝在20平方米的蒸發(fā)池中使用（與20m2蒸發(fā)池配套使用時(shí)，應(yīng)配套相應(yīng)直徑的測(cè)輪，在訂貨時(shí)應(yīng)加以補(bǔ)充說(shuō)明）。

FFZ-01型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)工作時(shí)，當(dāng)蒸發(fā)桶（池）中的水位低到某一預(yù)定值時(shí)，采集控制器啟動(dòng)補(bǔ)水裝置予以補(bǔ)水。當(dāng)有降雨時(shí)，當(dāng)蒸發(fā)桶（池）中的水位上升到某一預(yù)定高度時(shí)，通過(guò)采集控制器可以啟動(dòng)排水裝置予以排水。靜水桶中的水位數(shù)值始終可以受到監(jiān)控。

蒸發(fā)計(jì)注意事項(xiàng)

使用本蒸發(fā)計(jì)，只能準(zhǔn)確測(cè)量非降水時(shí)段的水面蒸發(fā)量。如欲測(cè)量包括降雨期內(nèi)的日蒸發(fā)量，依照國(guó)家水文局和國(guó)家氣象局的要求，還必須配置分辨力為0.1mm的高精度雨量計(jì)〔其測(cè)量誤差≤(1～2)%〕等相關(guān)裝置才能實(shí)現(xiàn)。

蒸發(fā)計(jì)技術(shù)參數(shù)

1蒸發(fā)量量測(cè)分辨力：0.1mm；

2蒸發(fā)量量測(cè)精度：蒸發(fā)量≤10mm，測(cè)量誤差：≤±0.3mm；

蒸發(fā)量>10mm，測(cè)量誤差：≤±(0.3mm 1%F.S))；

3蒸發(fā)量量測(cè)范圍：不小于20mm；

4輸出接口：RS-485；

5電源電壓：12V/DC（-5%~ 25%）；

6環(huán)境溫度：0℃~ 55℃；

7儲(chǔ)存溫度：-10℃~ 60℃。

該產(chǎn)品具有防腐蝕、防凍裂、隔熱性好、防止小水體和地面劇烈的熱交換、測(cè)量精度高、使用方便、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局確定為全國(guó)水面蒸發(fā)觀測(cè)的唯一標(biāo)準(zhǔn)儀器并列入國(guó)標(biāo)“GB11829-89”，被水利部、電力部、中國(guó)氣象局、中科院列為換代產(chǎn)品，在全國(guó)推廣使用。