3第二章：蒸发解析

第二章降水与蒸发《水文学原理及应用》西安交通大学人居学院1、蒸发的机理和基本理论2、蒸发的基本概念3、蒸发的测量4、流域蒸散发的估算方法本章主要内容nRHEPRE58～65％51～58％全球能量平衡全球水量平衡水循环和能量循环通过蒸发联系在一起，蒸发是水文过程中的一个关键环节。2.3.1蒸发机理与理论蒸发是指液态水变为气态水的物理现象。蒸发需要两个条件：第一、必须有能量供给，使水分子具备足够的动能从而离开液体表面；第二、有一些机制使水分子运动至远离液体表面的地方，防止其被重新液化。由此，有三种典型的理论来描述（计算）蒸发：(1)基于空气动力学的质量传输理论(2)从可为蒸发提供的能量入手的能量平衡理论(3)以陆地和大气界面为边界的流域水量平衡理论1、水汽的紊流传输大气运动始终处于紊流状态，分子扩散可以忽略，水汽运动主要是对流扩散。水汽的质量通量(x,y,z三个方向)可以表示为：VxVVyVVzVFuquFvqvFwqw水汽通量和风速都可以表示为一个时均量与一个脉动量之和，然后再求平均，上式可改写为：('')('')('')VxVyVzFuquqFvqvqFwqwq风速、温度和湿度在大气中的变化以垂直方向上的变化为主，在水平方向上的变化较小。研究大气边界层中的水文过程时通常采用水平方向均质假定，并且认为垂直方向时均风速为零。这时只有垂直方向的水汽通量：''VzEFwq类似地，显热通量为：''pHcw/0(/),dpRcTpp位温2、能量平衡理论净辐射潜热（蒸散发）显热（感热）nRHeLE地球表面土壤热通量GneRLEHG地表能量平衡方程：当时间尺度为1天以上时，土壤热通量可以忽略，即：neRLEH由地表净辐射和波文比（B0=H/LeE）可计算出蒸发量：/1neoRLEB3、水量平衡理论PERDSSREPD对一个闭合流域而言，其水量平衡方程为：其中，蒸发、径流及储水量的变化都是未知数。所以在没有足够的水文观测资料时，无法采用水量平衡原理。2.3.2与蒸发相关的一些基本概念蒸发是地球表面的液态或固态水变成大气中的水汽所有过程的总称。Evaporationisacollectivetermforalltheprocessesbywhichwaterintheliquidorsolidphaseattheearth’ssurfacebecomesatmosphericwatervapor.蒸散发(Evapotranspiration)：水文学中指自然界水面蒸发、土壤表面蒸发和植物蒸腾（蒸散）的总称。植物蒸腾(Transpiration)：在植物生长期，水分从植物叶面和技干逸入大气的过程。蒸发(Evaporation)：水面与土壤表面的水变成水汽的过程。1、基本概念(1)蒸发量：某个时段内单位面积蒸发的水量，一般采用单位：mm(2)蒸发率：指单位时间、单位面积内的蒸发量，一般采用单位：mm/day定量描述蒸发的指标：蒸发能力/可能最大蒸发率：在充分供水时，某特定气候条件下的最大蒸发率，一般用mm/day表示。水文学中常用两个标准蒸发率来表示流域的蒸发能力：(1)潜在蒸发率（potentialevaporation）E0：在当地的气候条件下，单位时间和单位面积内从理想的广阔自由水面蒸发的水量，通常采用mm/day为单位。(2)参考作物蒸发率（referencecropevaporation）Erc：在当地的气候条件下，单位时间和单位面积内从理想的广阔草地（均匀而且完全覆盖、高度为0.12m旺盛生长的草本作物、水分充分）蒸发的水量，通常采用mm/day为单位。特别用于反映灌溉农田的蒸发能力。水面蒸发是指在充分开阔的自由水面条件下的蒸发。水面蒸发率（也就是潜在蒸发率）是反映当地气候条件下蒸发能力的一个指标。2、水面蒸发（Free-waterevaporation）2121''()()eEwqCuuqq根据紊流扩散理论，蒸发率（单位时间单位面积的潜热通量）可表示为：水面附近水汽处于饱和状态、风速为0，水面以上一定高度z处的空气比湿为qz、风速为uz，上式可写为：()zeszECuqq(1)水面蒸发的理论推导0.6620.37810.662(10.378/)0.662vddepeqRTRTpepepep由知道：水汽压与比湿近似成正比。()zeszECuqq所以，式可改写为：()eszEKee水面蒸发率的道尔顿公式：)(daymmeeKEzse/)(0式中，es：某一水面温度下的饱和水汽压,hPa(=100Pa＝1mb)；ez：水面以上高度z处的实际水汽压，hPa；(es-ez)：水汽压饱和差；Ke：扩散系数，反映风速、湍流等气象因子对蒸发的影响。与水面蒸发率密切相关的几个因素：(1)水汽压饱和差：水汽压饱和差愈大，则水面蒸发愈大;(2)水面温度：温度愈高蒸发愈大；(3)风和湍流（空气动力学条件）：蒸发过程的快慢与空气中垂直方向的水汽密度梯度或水汽压梯度成正比，而且还与风速成正比。式中:es：当时温度下水面的饱和水汽压，(hPa)ez：水面上方z高度的实际水汽压，(hPa)f(u)：近地层中某高度的风速函数，大多数风速函数形式为f(u)=A+Bu,A,B为经验系数，或f(u)=unn=0.5~1.0。(mm/day)f(u))e(eEzs0(2)水面蒸发的估算工程水文学方法：建立实测的水面蒸发率与地面观测得到的气象要素特征值的经验关系。如水面蒸发量与水汽压差和风速的经验公式：气象学方法：基于蒸发机理的彭曼公式（Penman’sequation）206.43(10.536)(),/nhUDERAmmdayDDD式中，Rn为水面净辐射(mm/day)，可以根据日照时间估算Ah为水体热通量(mm/day),一般情况下可以忽略U2为2m高处的风速(m/s)D=es-e为饱和水汽压力差(kPa)=Le=2.501-0.002361T,为蒸发潜热(MJkg-1)0.0016286p/,为气压计常数(kPa℃-1)，p为气压；D4098es/(237.2+T)2,为饱和水汽压梯度(kPa℃-1)①辐射项：反映大气的可用能量；②空气动力学项：反映大气干燥能力。①②土壤蒸发过程要比水面蒸发复杂，除影响水面蒸发的几种因素(气温、水面温度、饱和差及风速)外，还与土壤性质、土壤含水率、地下水埋深、土壤表面特征和地形等因素有关。3、土壤蒸发(SoilEvaporation)湿润土壤表面的水分蒸发过程可概括为三个阶段。土壤含水率实际蒸发率/潜在蒸发率，E/E01.00.0wfs毛细管断裂含水率田间持水率饱和含水率①②③(1)第一阶段：大气蒸发能力控制阶段（蒸发率不变）开始时，土壤表面的含水量为饱和的情况，蒸发量近似为一常数，其大小受气象因子即大气蒸发能力控制。土壤蒸发过程三阶段的特点：在该阶段由于含水率低于土壤田间持水量，某些毛细管中水分连续状态受到破坏而中断，则毛管水供给表层蒸发的水分逐渐减少，故该阶段蒸发速率随表层土壤含水量变小而变小。(2)第二阶段：土壤导水率控制阶段（蒸发率降低）当土壤中毛细管全部断裂，毛管水不再上升，土壤表层得不到水分供给，土壤表层干化，水分只能以气态水或薄膜水的形式向地表移动，但速率非常小，可以忽略。(2)第三阶段：蒸发趋于停止土壤蒸发量（E）的估算：根据潜在蒸发率和土壤含水率可以估算土壤蒸发率，其假设前提是土壤实际蒸发率与潜在蒸发率成正比（即彭曼假设）。0()EfE式中，：土壤含水率；E0：潜在蒸发率。使用该公式的主要问题是，f()一般情况下不是线性（但通常假设为线性）函数，当其对时间或空间进行积分时采用平均土壤含水率会带来误差。4、植物蒸腾(Transpiration)植物蒸腾是一生物物理过程，水分从叶面气孔中扩散出去的量可由气孔开闭程度而受到调节，同时受到根层土壤含水量的影响。植物截留和截留蒸发：降雨经植物冠层时，一部分被截留，该水量称为植物截留量。植物冠层截留的水分变成水汽进入大气，该部分蒸发称为截留蒸发。植物蒸腾率可以根据参考作物腾发率来估算，假设植物的实际腾发率与土壤含水率成正比，同时实际腾发率与作物生长状况有关，即：0()cEfKE式中，q：植物根部土壤含水量；Kc：作物系数，反映作物生长状况；E0：蒸发能力（可用水面蒸发代替）。蒸发皿（器）类型有：(1)φ-20型（口径为20cm的蒸发皿）(2)φ-80型（口径为80cm的蒸发皿）(3)E-601型（蒸发器口径：618mm）(4)大型蒸发池(φ=5m，A=20m2和φ=11.3m，A=100m2两种)。(1)水面蒸发的测定方法通常采用蒸发皿（器）（evaporationpan）来直接观测水面蒸发率，蒸发皿测得的水面蒸发率通常用Epan（mm/day）表示。2.3.3蒸发测量蒸发器直径＝61.8cm水圈直径＝161.8cm一般每日8时观测一次，则得到逐日蒸发的水深（mm）。蒸发皿的口径愈小，所测得的蒸发率与广阔自由水面的蒸发率差别愈大。换一种说法，就是蒸发器面积愈大，所测得的蒸发率愈接近于广阔自由水面的蒸发率（即潜在蒸发率）。为什么？0,'0sEEHHHD0nREHWaterbody'nsREHGrassland蒸发器DH将影响草地内设置的蒸发器水面的能量平衡关系。这时，蒸发器内水面的能量平衡方程可表示为：所以，蒸发器（皿）观测蒸发量要大于水面蒸发（蒸发能力）：EpanE0。npanRHEHD0()E水面蒸发率大型蒸发池读数蒸发皿蒸发率蒸发皿读数panEKE池读数应为同期的观测数据。K值随蒸发皿类型、地区环境、季节的不同而异，可从各地的水文手册查出。蒸发皿的折算系数：把蒸发皿观测到的蒸发率折算为大水面蒸发率时，需要乘以一个系数。不同类型蒸发皿的折算系数表：一般情况下，蒸发皿越大折算系数越稳定，而且越接近于1。站名型号年折算系数月折算系数观测年份重庆E-6010.900.71-0.941961-1968年f-800.730.53-0.891958-1968年f-200.600.46-0.781958-1968年东湖（湖北）E-6010.980.87-1.061959-1977年f-800.830.66-1.121959-1977年f-200.650.47-0.871960-1962年广州E-6010.970.82-1.061963-1979年f-800.720.60-0.811963-1979年f-200.680.58-0.801963-1979年古田E-6010.990.87-1.101964-1978年f-800.960.81-1.221964-1978年f-200.810.65-1.011964-1978年常用称重式土壤蒸发皿，其根据水量平衡原理来确定土壤蒸发。该方法适合于点的测定。（2）土壤蒸发量（E）的测定DGEPRqPqRGGEs)()(02.021式中:Es：观测时段内土壤蒸发量(mm)G1、G2：时段初和时段末筒内土样的重量(g)P：降水量(mm)R：径流量(mm)q：渗漏量(mm)0.02：单位换算系数(3)流域蒸散发的观测目前，尚无办法对流域的总蒸散发量进行直接观测。通常选择不同的典型田间进行观测，然后推算全流域的总蒸散发。常用的田间蒸散发直接观测方法有：波纹比能量平衡法、涡动相关法和蒸渗仪法。卫星遥感技术的发展为间接观测流域蒸散发提供了可能。建立基于卫星遥感的辐射传播模型，可以反演计算出地表的蒸散发量。波纹比能量平衡法（EnergyBalancewithBowenRatio,EBBR）由地表净辐射和波纹比可计算出蒸发量：/1neoRLEB1212()()poeecTTHBLELqq波纹比的定义：T1,q1T2,q2当q1、q2的差别较小时