微型水面蒸发器原理与实验设计

　　0　引言

　　蒸发是地表热量平衡的组成部分,又是水量平衡的组成部分,是水循环要素中最直接受下垫面条件和气候变化影响的一项,蒸发又可减少辐射向感热的转化,增加空气湿度,提高最低气温及降低最高气温,起到调节气候的作用[1,2]。水面蒸发是气象与水文研究的重要观测项目,测定水面蒸发的方法归纳起来主要有3种途径:一是采用一定的仪器和某种手段进行直接测定;二是根据典型资料建立地区经验公式进行估算;三是通过成因分析建立理论公式进行计算。三种途径各有其长处和局限性[3]。直接测定是人们使用最早、最多的一种,从目前所使用的测定方法来看无外乎有两种:一是对于20 cm口径的小型蒸发器(皿)采用量筒定时测定水量变化,二是对于口径大于20 cm的中大型蒸发器(池),采用标尺(测针)测定水位变化。国际领域以20 m2蒸发池作为水面蒸发的标准,国内水利部门比较多种类型的水面蒸发器之后选定E601型蒸发器作为全国水文站测量水面蒸发的仪器。众所周知,水面蒸发受温度、湿度、风速和光照等气象因子影响较大,而各地的气象条件不同就必然要求获得有统一标准的实际水面蒸发数据。大型蒸发池作为水面蒸发的标准,成本很高。E601型蒸发器的蒸发量接近于湖泊、水库等中小水体的实际蒸发量[4],作为国家统一标准是合理的,但是E601型蒸发器蒸发桶口径达到618±2 mm,体积庞大,搬运、安装、调试都不方便。移动气象站技术可以观测温度、湿度、风向、风速、雨量、总辐射,但尚不能观测水面蒸发;ZFZ-01型数字式水面蒸发自动站可以自动观测水面蒸发[5],体积也比较大,设计性能与之相当的E601型蒸发器的微型水面蒸发器是极其必要的。

　　1　水面蒸发原理

　　水面蒸发是水面水分从液态转化为气态逸出水面的过程,水面蒸发包括水分化汽(又称汽化)和水汽扩散两个过程。水体内部水分子处在连续运动状态,其速度各不相同。当水面的一些分子得到的动能大于其他水分子对它的吸引力时,就会逸出水面;水温越高,水分子运动越快。由于水汽分子的不规则运动,有一部分水汽分子回到水中,产生凝结,因而水面蒸发与大气中的水分含量密切相关,实测的蒸发量指从水面逸出的水分子数量与返回水中的水分子数量之差。水汽扩散有3种形式:由于水汽压差而引起的水汽分子从水汽压高处向水汽压低处输送,称分子扩散;由于温差而引起的下层暖湿空气上升和上层干冷空气的下沉,称对流扩散;由于刮风,水分子随风吹离,称紊动扩散。水面蒸发影响因素有水汽压差、风速、气温和水质等。水汽压差指水面温度的饱和水汽压与水面上空一定高度的实际水汽压之差,它反映着水汽浓度梯度,根据扩散理论所提供的概念,蒸发率与水汽压差成正比变化。风速的大小,决定着紊动扩散的强弱,一般认为,风速愈大,水面蒸发率也愈高。气温主要控制空气湿度,间接影响水面蒸发。按照道尔顿定律,如风速和相对湿度不变,温度升高10℃,蒸发量增加1倍。水中含有盐分,盐分子会增加分子的吸力减少蒸发,在同一环境下,海水的蒸发比淡水少2~3%,盐湖也会相应低些。因此,水面蒸发是一个影响因素众多的大气物理过程,但就实质而言水面蒸发是水的物质循环与能量消耗过程。把握水面蒸发能量消耗过程的实质是水面蒸发器设计的理论依据,风速等气象条件确定情况下,水面温度是水面蒸发的决定因素。