水面蒸发

根据蒸发的发生机制，可将影响蒸发的因素分为两大类：一类是物体表面以上的气象条件，如太阳辐射、温度、湿度、风速、气压等；另一类是物体自身的因素，对于水面蒸发来说，有水体表面的面积和形状、水深、水质和水面的状况等因素。以下分别就这些因素作简单的分析。

（1）太阳辐射。太阳辐射直接供给蒸发所需的能量，尤其对水面蒸发来说，太阳辐射几乎都用于蒸发，因此，太阳辐射是影响蒸发的主要因素。太阳辐射有日变化、季节变化和年际变化，水面蒸发也会随着这些变化而发生相应地变化。

（2）温度。随着水温的增加，水分子的运动速度会加快，从而更易于逸出水面，所以水面蒸发量会随着水面温度的增加而增加。而直接影响水温的主要因素是气温，所以气温的变化会影响水面蒸发的变化。但由于水面蒸发的影响因素较为复杂，气温的变化有时与水面蒸发规律并不十分一致。

（3）湿度。水面上方大气的湿度增加，其中的水汽分子数量增加，饱和水汽压差减小，水面与大气的水汽压差越小，水分子由水面逸出的速度越慢。因此，在相同条件下，空气湿度越小，水面蒸发量越大。同时，湿度的变化与气温也有着十分密切的关系。

（4）水汽压差。水汽压差是指水面的水汽压与水面上空一定高度的大气水汽压之差。一般来说，空气密度越大，单位体积的水汽分子数量越多，水汽压就越大；反之，则水汽压越小。大气的水汽压越大，水面与大气的水汽压差越小，水面蒸发量也越小，这与湿度变化对蒸发的影响基本一致。

（5）风速。风能够加强空气之间的对流和交换，使水面上空的水汽分子不断被带走，从而保证蒸发面与上空始终保持一定的水汽压差，使得蒸发持续进行。在一定范围内，风速越大，空气流动越快，越有利于水汽在空气中的对流和交换，从而增加水汽界面的水汽压差，越有利于水面的蒸发。但当风速达到一定程度时，水面的蒸发趋于稳定，此时影响相对较小。同时当冷空气到来时，风速增加不仅不会促进水面蒸发，相反还会减少蒸发，甚至导致凝结。

（6）水面面积。水体蒸发表面是水分子汽化时必经的通道。一般来说，水面面积越大，则蒸发量越大，蒸发作用进行得越快。对于局部区域来说，水面面积越大，其上空的水汽越不易被带离水面区域，水面上空的水汽含量越多，越不利于水面蒸发的进行。

（7）水深。水体的深浅对水面蒸发也有一定的影响。总的来说，春夏两季浅水比深水水面蒸发量大，秋冬两季则相反。这是因为若水深较浅，水体的上、下部分交换相对比较容易，混合充分，水体各部分温差小，几乎相同，并与气温变化基本一致，对水面蒸发的影响较为显著。春夏两季气温较高，水温也较高，水面蒸发量大，秋冬两季水面蒸发量则较小。水深较大，水温在0～4。C变化时，水体存在“热缩冷胀”的效应，从而使水体上下部分产生对流作用；当水温超过4℃时，对流作用停止。此外，水深大，水体蕴藏的热量也大，这对水温将起到一定调节作用，使水面蒸发量随时间的变化显得比较稳定。

（8）水质。水面蒸发不仅会受水量影响，而且还受到水质的影响，即水中溶解溶质多少的影响。一般来说，水中溶质的浓度越大，水体蒸发量越小，比如海水比淡水的蒸发量就小2%～3%。这是由于溶质的存在而减小了单位水面面积内水分子的数量，即在本质上减小了纯水面蒸发面积，从而减小了水体的蒸发量。

此外，水体蒸发表面若有杂物等覆盖，水体表面接受的太阳辐射就会减少，水体蒸发量也会随之减小。

水面蒸发量的计算方法大致可以分为两类：一类是理论计算方法，另一类是经验计算方法。所谓理论计算方法即就是有较强物理基础的方法，如热量平衡法、空气动力学法和水量平衡法等，这些计算方法分别是利用热量平衡、空气动力学和水量平衡等原理和理论来确定水面蒸发量。理论计算方法主要包括热量平衡法、空气动力学方法、综合法以及水量平衡法。经验计算方法一般是在对实测资料的精度要求不很高的情况下，根据实测资料，利用经验公式对水面蒸发量进行估算的方法。除此之外，还有一种较为常见的方法，即器测法。

单位时间从水面蒸发的水量称水面蒸发率,以毫米/日计。水面蒸发量可用仪器直接观测确定，也可估算。中国采用的直接观测水面蒸发的仪器有20厘米直径小型蒸发器，80厘米直径套盆式蒸发器。60年代初选用 E-601型蒸发器为全国标准仪器。蒸发实验站则采用20和 100平方米蒸发池和漂浮蒸发器。大水体的蒸发量的确定要用各种蒸发器测得的蒸发量乘以折算系数。折算系数随蒸发器面积大小，季节和气候区等不同而异。

大水体蒸发量的间接估算可用水量平衡法，即根据降水、径流和蓄水量等要素推求自然水体某一时段的水面蒸发量。这种方法精度受测量误差的影响，应用受到一定限制。另一种是热量平衡法，是通过测算太阳短波辐射,大气和水面长波辐射,进出水体的热量、对流的热量和水体的储热量等来估算蒸发量。如有观测资料，这个方法能估算到 1小时的时段蒸发量，但由于其中几个必要的项目难估算，易产生误差。经验公式与半经验公式法是根据蒸发的影响因素之间的关系推求水面蒸发量。

关于水面蒸发的研究，远在1687年，天文学家哈利(E. Halley)用蒸发器观测水面蒸发量。1802年道尔顿(J. Dalton)提出蒸发量与水汽压差成比例关系。1915年施米特(W. Schmidt)应用热量平衡原理，确定洋面蒸发。1939年桑斯韦特与霍尔兹曼(C.W.Thornthwaite & Benjamin Halzman)导出质量转移法计算蒸发公式。约于1920年左右，一些学者于水面撒布单分子薄膜， 以试验控制蒸发。中国于20世纪20年代开始用直径80厘米蒸发器观测水面蒸发，50年代开展蒸发实验研究。80年代初根据全国蒸发实验资料，确定了不同气候区的各类蒸发器折算系数及水面蒸发计算模型。

自然条件下的蒸发是水分和热量的综合反映，一般来说，蒸发的发生取决于两个条件：一个是将水由液态变为气态的热能；另一个是是否有水分的供应，以及水分供应的状况。水面蒸发是最简单的蒸发形式，属于水分供应不受限制的蒸发面。因此蒸发主要受制于水面所接受的太阳辐射能量。对于一个自由水面来说，太阳辐射热量进入水体使得水体表层温度升高，水分子动能增加，运动加剧，且水面温度愈高，水分子的运动愈活跃。由于水分子之间本身存在着一定的相互作用力，即内聚力，使得水分子聚集于水体。但当水分子运动的动能大于水分子之间的内聚能时，水分子就能从水体逸出而散失到大气当中，此即为蒸发的物理机制。由于水体获得的能量不是均匀的，只有表层那些动能足够大的水分子才能突破水面进入大气，所以蒸发主要在水的表层发生。通常将单位水量从液态变为气态所吸收的热量称为蒸发潜热或大气蒸发能力。

根据理想气体状态方程和混合气体压强公式，温度和体积一定时，气体的压力正比于气体的分子数。在蒸发的初期，由于空气中水汽分子的数量相对较少，因而水汽压也较小。

水面与空气中的水汽压差则较大，由水面逸出的水分子数量较多。相反的，从空气中返回水面的水分子数量较小。通常认为水面逸出的水分子数量与返回水面的水分子数量之差，就是实际观测到的蒸发量或蒸发强度。

随着蒸发的不断进行，从水面跃入空气中的水汽分子愈来愈多，以致水面以上大气中的水汽含量越来越多，水汽压也就愈大，水面与空气中的水汽压差减小，水汽分子由水面进人大气的速率明显减小，而空气中的水汽分子返回水面的速率则明显增大。对于一个封闭的系统来说，当两者进行到一定程度时，必然会出现跃出水面的水汽分子数等于进入水面的水汽分子数，此时空气与水面的水汽压差为零，蒸发因此停止。水汽压差为零时，空气中的水汽分子达到饱和，此时的水汽压称为饱和水汽压。如果水面的温度继续增加，空气中的蒸发又开始进行，直到空气中的水汽分子再次达到饱和为止。因此，对于封闭的自由水面来说，蒸发速率主要取决于水面和水面以上大气之间的水汽压差。

在自然条件下，由于空气的体积是无限的，水面上空气中的水汽分子存在一定的浓度梯度，由水面进入大气的水汽分子会通过空气对流、紊动以及水汽的扩散等作用不断的沿梯度方向向上输送，从而减少了水面以上空气中的水分子数，降低了水汽压，使其很难达到饱和状态，因此实际上不可能出现空气与水面的水汽压差为零的情况。所以自然条件下的蒸发量不仅与饱和水汽压差有关，还与空气的对流和紊动以及水汽的扩散等作用有关，而影响这些作用的因素主要有风速、气压、湿度等气象条件。

水面蒸发消耗水分，也消耗热能，因此抑制蒸发是保护水热资源的重要措施。抑制方法尚处在实验研究阶段，可用油脂薄膜和用单分子薄膜减缓水分子的扩散。常用的药剂为十六烷醇（C16H33OH）、十八烷醇(C18H37OH)或其他混合剂。

FFZ-01型数字水面蒸发计由蒸发桶（池）和数字式水面蒸发传感器为蒸发量观测器具，以专用采集控制器采集处理蒸发数据并完成蒸发器自动补排水控制，实现水面蒸发过程的高精度实时在线测量。

本仪器的蒸发传感器采用分辨力为0.1mm的信源数字编码型传感器，在高温、高湿、风浪、沙尘环境下能稳定、可靠地工作。

蒸发计结构、工作原理

FFZ-01型数字水面蒸发计由蒸发桶、水圈、连通管、水位编码器、浮子、测缆、平衡锤、静水桶、圆形支板、调水平装置、自动补排水装置、采集控制器（以下简称采集器）等组成。安装时将蒸发桶、连通管、静水桶组成连通器；水位编码器、采集器、调平衡装置水平安装在静水筒的圆形支板上；浮子、测缆、平衡锤缆分别悬挂在水位编码器的测轮圆周的两个凹槽内，浮子安装在静水桶内。当蒸发桶中的水面蒸发引起水位下降时，静水桶中的水面同步下降，浮子即拉动测缆带动测轮和编码器旋转，编码器即可输出与水面下降量相对应的编码数据。采集器通过采集对应时段范围内的水位变化量，计算出时段水面蒸发量。

本仪器装有不锈钢防风、防尘外罩，静水桶采用了和蒸发桶同样的半埋式结构，以尽量保证了静水桶和蒸发桶中的水温一致，使传感器能在恶劣的室外环境下可靠地工作。

对于FFZ-01型数字水面蒸发计而言，蒸发桶的直径为Φ612mm，其面积为3000cm2，静水桶工作区段直径为Φ240mm，面积为453.27cm2，当蒸发桶中的蒸发量为0.1mm时（即相当于从蒸发桶中取出30ml水时）浮子感测到的水位变化量△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，用螺旋测针在本蒸发桶中人工测量的数据与本数字蒸发计测量到的数据相对比时，应将人工测针测量数值除以0.086896才是实际蒸发量。

蒸发计使用方法

FFZ-01型数字水面蒸发计与20平方米蒸发池配套使用时，因为传感器静水桶的面积只有蒸发池面积2.4‰，可以基本上不考虑静水桶与蒸发池之间水体的交换的影响。可以用连通管直接与蒸发池相连接，或者将蒸发传感器的静水桶安装在20平方米的蒸发池中使用（与20m2蒸发池配套使用时，应配套相应直径的测轮，在订货时应加以补充说明）。

FFZ-01型数字水面蒸发计工作时，当蒸发桶（池）中的水位低到某一预定值时，采集控制器启动补水装置予以补水。当有降雨时，当蒸发桶（池）中的水位上升到某一预定高度时，通过采集控制器可以启动排水装置予以排水。静水桶中的水位数值始终可以受到监控。

蒸发计注意事项

使用本蒸发计，只能准确测量非降水时段的水面蒸发量。如欲测量包括降雨期内的日蒸发量，依照国家水文局和国家气象局的要求，还必须配置分辨力为0.1mm的高精度雨量计〔其测量误差≤(1～2)%〕等相关装置才能实现。

蒸发计技术参数

1蒸发量量测分辨力：0.1mm；

2蒸发量量测精度：蒸发量≤10mm，测量误差：≤±0.3mm；

蒸发量>10mm，测量误差：≤±(0.3mm 1%F.S))；

3蒸发量量测范围：不小于20mm；

4输出接口：RS-485；

5电源电压：12V/DC（-5%~ 25%）；

6环境温度：0℃~ 55℃；

7储存温度：-10℃~ 60℃。

该产品具有防腐蚀、防冻裂、隔热性好、防止小水体和地面剧烈的热交换、测量精度高、使用方便、寿命长等优点，被国家技术监督局确定为全国水面蒸发观测的唯一标准仪器并列入国标“GB11829-89”，被水利部、电力部、中国气象局、中科院列为换代产品，在全国推广使用。