水面蒸發(fā)

根據蒸發(fā)的發(fā)生機制，可將影響蒸發(fā)的因素分為兩大類：一類是物體表面以上的氣象條件，如太陽輻射、溫度、濕度、風速、氣壓等；另一類是物體自身的因素，對于水面蒸發(fā)來說，有水體表面的面積和形狀、水深、水質和水面的狀況等因素。以下分別就這些因素作簡單的分析。

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

（2）溫度。隨著水溫的增加，水分子的運動速度會加快，從而更易于逸出水面，所以水面蒸發(fā)量會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)的影響因素較為復雜，氣溫的變化有時與水面蒸發(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，濕度的變化與氣溫也有著十分密切的關系。

（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。一般來說，空氣密度越大，單位體積的水汽分子數量越多，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，這與濕度變化對蒸發(fā)的影響基本一致。

（5）風速。風能夠加強空氣之間的對流和交換，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)進行。在一定范圍內，風速越大，空氣流動越快，越有利于水汽在空氣中的對流和交換，從而增加水汽界面的水汽壓差，越有利于水面的蒸發(fā)。但當風速達到一定程度時，水面的蒸發(fā)趨于穩(wěn)定，此時影響相對較小。同時當冷空氣到來時，風速增加不僅不會促進水面蒸發(fā)，相反還會減少蒸發(fā)，甚至導致凝結。

（6）水面面積。水體蒸發(fā)表面是水分子汽化時必經的通道。一般來說，水面面積越大，則蒸發(fā)量越大，蒸發(fā)作用進行得越快。對于局部區(qū)域來說，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)的進行。

（7）水深。水體的深淺對水面蒸發(fā)也有一定的影響?？偟膩碚f，春夏兩季淺水比深水水面蒸發(fā)量大，秋冬兩季則相反。這是因為若水深較淺，水體的上、下部分交換相對比較容易，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，水體存在“熱縮冷脹”的效應，從而使水體上下部分產生對流作用；當水溫超過4℃時，對流作用停止。此外，水深大，水體蘊藏的熱量也大，這對水溫將起到一定調節(jié)作用，使水面蒸發(fā)量隨時間的變化顯得比較穩(wěn)定。

（8）水質。水面蒸發(fā)不僅會受水量影響，而且還受到水質的影響，即水中溶解溶質多少的影響。一般來說，水中溶質的濃度越大，水體蒸發(fā)量越小，比如海水比淡水的蒸發(fā)量就小2%～3%。這是由于溶質的存在而減小了單位水面面積內水分子的數量，即在本質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輻射就會減少，水體蒸發(fā)量也會隨之減小。

水面蒸發(fā)量的計算方法大致可以分為兩類：一類是理論計算方法，另一類是經驗計算方法。所謂理論計算方法即就是有較強物理基礎的方法，如熱量平衡法、空氣動力學法和水量平衡法等，這些計算方法分別是利用熱量平衡、空氣動力學和水量平衡等原理和理論來確定水面蒸發(fā)量。理論計算方法主要包括熱量平衡法、空氣動力學方法、綜合法以及水量平衡法。經驗計算方法一般是在對實測資料的精度要求不很高的情況下，根據實測資料，利用經驗公式對水面蒸發(fā)量進行估算的方法。除此之外，還有一種較為常見的方法，即器測法。

單位時間從水面蒸發(fā)的水量稱水面蒸發(fā)率,以毫米/日計。水面蒸發(fā)量可用儀器直接觀測確定，也可估算。中國采用的直接觀測水面蒸發(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)器為全國標準儀器。蒸發(fā)實驗站則采用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)器測得的蒸發(fā)量乘以折算系數。折算系數隨蒸發(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，即根據降水、徑流和蓄水量等要素推求自然水體某一時段的水面蒸發(fā)量。這種方法精度受測量誤差的影響，應用受到一定限制。另一種是熱量平衡法，是通過測算太陽短波輻射,大氣和水面長波輻射,進出水體的熱量、對流的熱量和水體的儲熱量等來估算蒸發(fā)量。如有觀測資料，這個方法能估算到 1小時的時段蒸發(fā)量，但由于其中幾個必要的項目難估算，易產生誤差。經驗公式與半經驗公式法是根據蒸發(fā)的影響因素之間的關系推求水面蒸發(fā)量。

關于水面蒸發(fā)的研究，遠在1687年，天文學家哈利(E. Halley)用蒸發(fā)器觀測水面蒸發(fā)量。1802年道爾頓(J. Dalton)提出蒸發(fā)量與水汽壓差成比例關系。1915年施米特(W. Schmidt)應用熱量平衡原理，確定洋面蒸發(fā)。1939年桑斯韋特與霍爾茲曼(C.W.Thornthwaite & Benjamin Halzman)導出質量轉移法計算蒸發(fā)公式。約于1920年左右，一些學者于水面撒布單分子薄膜， 以試驗控制蒸發(fā)。中國于20世紀20年代開始用直徑80厘米蒸發(fā)器觀測水面蒸發(fā)，50年代開展蒸發(fā)實驗研究。80年代初根據全國蒸發(fā)實驗資料，確定了不同氣候區(qū)的各類蒸發(fā)器折算系數及水面蒸發(fā)計算模型。

自然條件下的蒸發(fā)是水分和熱量的綜合反映，一般來說，蒸發(fā)的發(fā)生取決于兩個條件：一個是將水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的熱能；另一個是是否有水分的供應，以及水分供應的狀況。水面蒸發(fā)是最簡單的蒸發(fā)形式，屬于水分供應不受限制的蒸發(fā)面。因此蒸發(fā)主要受制于水面所接受的太陽輻射能量。對于一個自由水面來說，太陽輻射熱量進入水體使得水體表層溫度升高，水分子動能增加，運動加劇，且水面溫度愈高，水分子的運動愈活躍。由于水分子之間本身存在著一定的相互作用力，即內聚力，使得水分子聚集于水體。但當水分子運動的動能大于水分子之間的內聚能時，水分子就能從水體逸出而散失到大氣當中，此即為蒸發(fā)的物理機制。由于水體獲得的能量不是均勻的，只有表層那些動能足夠大的水分子才能突破水面進入大氣，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)所吸收的熱量稱為蒸發(fā)潛熱或大氣蒸發(fā)能力。

根據理想氣體狀態(tài)方程和混合氣體壓強公式，溫度和體積一定時，氣體的壓力正比于氣體的分子數。在蒸發(fā)的初期，由于空氣中水汽分子的數量相對較少，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量較多。相反的，從空氣中返回水面的水分子數量較小。通常認為水面逸出的水分子數量與返回水面的水分子數量之差，就是實際觀測到的蒸發(fā)量或蒸發(fā)強度。

隨著蒸發(fā)的不斷進行，從水面躍入空氣中的水汽分子愈來愈多，以致水面以上大氣中的水汽含量越來越多，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。對于一個封閉的系統來說，當兩者進行到一定程度時，必然會出現躍出水面的水汽分子數等于進入水面的水汽分子數，此時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，空氣中的水汽分子達到飽和，此時的水汽壓稱為飽和水汽壓。如果水面的溫度繼續(xù)增加，空氣中的蒸發(fā)又開始進行，直到空氣中的水汽分子再次達到飽和為止。因此，對于封閉的自由水面來說，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，由水面進入大氣的水汽分子會通過空氣對流、紊動以及水汽的擴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，降低了水汽壓，使其很難達到飽和狀態(tài)，因此實際上不可能出現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，還與空氣的對流和紊動以及水汽的擴散等作用有關，而影響這些作用的因素主要有風速、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)是保護水熱資源的重要措施。抑制方法尚處在實驗研究階段，可用油脂薄膜和用單分子薄膜減緩水分子的擴散。常用的藥劑為十六烷醇（C16H33OH）、十八烷醇(C18H37OH)或其他混合劑。

FFZ-01型數字水面蒸發(fā)計由蒸發(fā)桶（池）和數字式水面蒸發(fā)傳感器為蒸發(fā)量觀測器具，以專用采集控制器采集處理蒸發(fā)數據并完成蒸發(fā)器自動補排水控制，實現水面蒸發(fā)過程的高精度實時在線測量。

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

蒸發(fā)計結構、工作原理

FFZ-01型數字水面蒸發(fā)計由蒸發(fā)桶、水圈、連通管、水位編碼器、浮子、測纜、平衡錘、靜水桶、圓形支板、調水平裝置、自動補排水裝置、采集控制器（以下簡稱采集器）等組成。安裝時將蒸發(fā)桶、連通管、靜水桶組成連通器；水位編碼器、采集器、調平衡裝置水平安裝在靜水筒的圓形支板上；浮子、測纜、平衡錘纜分別懸掛在水位編碼器的測輪圓周的兩個凹槽內，浮子安裝在靜水桶內。當蒸發(fā)桶中的水面蒸發(fā)引起水位下降時，靜水桶中的水面同步下降，浮子即拉動測纜帶動測輪和編碼器旋轉，編碼器即可輸出與水面下降量相對應的編碼數據。采集器通過采集對應時段范圍內的水位變化量，計算出時段水面蒸發(fā)量。

本儀器裝有不銹鋼防風、防塵外罩，靜水桶采用了和蒸發(fā)桶同樣的半埋式結構，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。

對于FFZ-01型數字水面蒸發(fā)計而言，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，當蒸發(fā)桶中的蒸發(fā)量為0.1mm時（即相當于從蒸發(fā)桶中取出30ml水時）浮子感測到的水位變化量△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，用螺旋測針在本蒸發(fā)桶中人工測量的數據與本數字蒸發(fā)計測量到的數據相對比時，應將人工測針測量數值除以0.086896才是實際蒸發(fā)量。

蒸發(fā)計使用方法

FFZ-01型數字水面蒸發(fā)計與20平方米蒸發(fā)池配套使用時，因為傳感器靜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?？梢杂眠B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，應配套相應直徑的測輪，在訂貨時應加以補充說明）。

FFZ-01型數字水面蒸發(fā)計工作時，當蒸發(fā)桶（池）中的水位低到某一預定值時，采集控制器啟動補水裝置予以補水。當有降雨時，當蒸發(fā)桶（池）中的水位上升到某一預定高度時，通過采集控制器可以啟動排水裝置予以排水。靜水桶中的水位數值始終可以受到監(jiān)控。

蒸發(fā)計注意事項

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

蒸發(fā)計技術參數

1蒸發(fā)量量測分辨力：0.1mm；

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

蒸發(fā)量>10mm，測量誤差：≤±(0.3mm 1%F.S))；

3蒸發(fā)量量測范圍：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儲存溫度：-10℃~ 60℃。

該產品具有防腐蝕、防凍裂、隔熱性好、防止小水體和地面劇烈的熱交換、測量精度高、使用方便、壽命長等優(yōu)點，被國家技術監(jiān)督局確定為全國水面蒸發(fā)觀測的唯一標準儀器并列入國標“GB11829-89”，被水利部、電力部、中國氣象局、中科院列為換代產品，在全國推廣使用。