水文学原理CH7 蒸发与散发

第七章第七章蒸发与散发蒸发与散发EvaporationandTranspiration主要内容蒸发现象及其控制条件蒸发现象及其控制条件1.1.水面蒸发水面蒸发2.2.土壤蒸发土壤蒸发3.3.植物散发植物散发4.4.5.5.流域蒸散发流域蒸散发™基本概念™蒸发分类™控制蒸发的条件§1蒸发现象及其控制条件§1蒸发现象及其控制条件11几个基本概念几个基本概念蒸发：水分子从物体表面（即蒸发面）向大气逸散的现象称为蒸发。蒸发面：具有水分子的物体表面。凝结：水汽分子从空气中返回水面的现象叫凝结现象。蒸发和凝结是同时发生，具有相反物理过程的两种现象。蒸发必须消耗能量——蒸发潜热蒸发潜热：单位水量蒸发到空气中所需的能量称为蒸发潜热。凝结则要释放能量——凝结潜热凝结潜热：单位水量从空气中凝结返回水面所释放的能量称为凝结潜热。物理学已经证明，蒸发潜热与凝结潜热相同，均可按下式计算：wtL177.22491−=§1蒸发现象及其控制条件11几个基本概念几个基本概念蒸发率：单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值（为正值时）称为蒸发率。一般用mm/d，mm/月，mm/年表示。蒸发能力：供水充分条件下，单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值（为正值时）称为蒸发能力。又称蒸发潜力或者潜在蒸发。同等气象条件下：蒸发能力≥蒸发率蒸发能力取决于气象条件（能量条件、水汽输送条件）蒸发能力与蒸发面的热容性质有很大关系§1蒸发现象及其控制条件22蒸发分类蒸发分类蒸发面类型：蒸发面类型：水面蒸发水面蒸发冰雪蒸发冰雪蒸发土壤蒸发土壤蒸发植物散发植物散发流域蒸散发流域蒸散发陆面蒸发陆面蒸发蒸发面的蒸发面的供水情况：供水情况：饱和蒸发饱和蒸发非饱和发非饱和发§1蒸发现象及其控制条件33控制蒸发的条件控制蒸发的条件即控制蒸发率的大小的条件即控制蒸发率的大小的条件取决于以下三个条件：取决于以下三个条件：供水条件——蒸发面上储存的水量多少能量条件——蒸发面上水分子获得能量的多少动力条件——蒸发面上空水汽输送的速度如何气象条件气象条件™供水条件与水分蒸发面的水分含量有关，不同的蒸发面，供水条件是有区别的。™能量条件是水分子脱离蒸发面向大气逸散的能量供给条件。天然条件下供给蒸发面的能量主要来自太阳能。™动力条件是保证向大气逸散的水分子大于从大气返回蒸发面的水分子的动力条件。一般来自三个方面。§1蒸发现象及其控制条件™动力条件1、水汽分子扩散作用其作用力大小及方向取决于大气中水汽含量的梯度，一般情况下其作用是不大的。2、对流作用这是由于近蒸发面的气温大于其上层气温而形成的。对流作用将近蒸发面的暖湿空气带离蒸发面上空，而使其上空的干冷空气下沉到近蒸发面，因而促进了蒸发作用。3、平流作用（空气紊动扩散作用）刮风时，空气发生紊动，风速越大，紊动作用也越大。紊动作用将使蒸发面上空的空气混合作用大大加快，将空气中的水汽含量冲淡，从而大大促进了蒸发作用。§1蒸发现象及其控制条件™水面蒸发的影响因素™确定水面蒸发量的理论方法™确定水面蒸发量的经验公式途径™器测法§2水面蒸发§2水面蒸发11水面蒸发的影响因素水面蒸发的影响因素水面蒸发是充分供水条件下的蒸发，因此，水面蒸发率和水面水面蒸发是充分供水条件下的蒸发，因此，水面蒸发率和水面蒸发能力是完全相同的。它是目前研究得较为成熟的一种蒸发蒸发能力是完全相同的。它是目前研究得较为成熟的一种蒸发现象。现象。影响水面蒸发的因素可归纳为影响水面蒸发的因素可归纳为气象因素气象因素和和水体因素水体因素两类。两类。气象因素气象因素水体因素水体因素水面大小及形状水面大小及形状水深水深水质水质太阳辐射太阳辐射温度温度湿度湿度气压气压风速风速™太阳辐射→蒸发所需之能量™温度→水温™湿度→饱和度™气压→压制水分子逸出水面™风速→带走水面上空的水汽™水面大小及形状→大→上空大量的水汽不易被风立即吹散™水深→夏秋两季浅水比深水水面蒸发量大™水质→水中溶解有化学物质§2水面蒸发aa热量平衡法热量平衡法bb空气动力学法空气动力学法((水汽扩散法水汽扩散法))cc混合法混合法((彭曼法彭曼法))dd水量平衡法水量平衡法§2水面蒸发22确定水面蒸发量的理论方法确定水面蒸发量的理论方法§2水面蒸发22确定水面蒸发量的理论方法确定水面蒸发量的理论方法aa热量平衡法热量平衡法υθQQQQQehn+−−=hQnQeQinputoutput1/neheQQQQRRQQBowenθυ−+=+=比()(1),enwwQQQQELLREfStaθυρρ−+==+=即§2水面蒸发22确定水面蒸发量的理论方法确定水面蒸发量的理论方法bb空气动力学法空气动力学法((水汽扩散法水汽扩散法))主要考虑饱和差主要考虑饱和差dd和风速和风速uu对水面蒸发的影响。对水面蒸发的影响。()2202()(ln(/))(),wsmKuEfzkeeKEfduρρ=−=即饱和饱和差差dd§2水面蒸发22确定水面蒸发量的理论方法确定水面蒸发量的理论方法cc混合法混合法((彭曼法彭曼法))anEQEγγγ+Δ+′+ΔΔ=0水体吸收净辐水体吸收净辐射热量引起的射热量引起的蒸发蒸发风速和饱和差风速和饱和差引起的蒸发引起的蒸发§2水面蒸发EPtOtISS−+Δ−Δ+=1222确定水面蒸发量的理论方法确定水面蒸发量的理论方法dd水量平衡法水量平衡法）（12SStOtIPE−−Δ−Δ+=§2水面蒸发33确定水面蒸发量的经验公式途径确定水面蒸发量的经验公式途径)10/1(1942)(31.0122.0196620002200ueeCEMayereeuEaws+−=−+=）（）经验公式（）华水经验公式（§2水面蒸发44器测法器测法20cm口径蒸发器80cm口径套盆蒸发器E601蒸发器20m2和100m2的大型蒸发池蒸发器观测的数值不能直接作为大水体的水面蒸发值，必须乘以一折算系数。折算系数与蒸发器类型、自然环境、季节变化等因素有关。实际工作中，应根据当地实测资料分析。§2水面蒸发44器测法器测法蒸发器蒸发实验站§2水面蒸发§3土壤蒸发11土壤蒸发过程土壤蒸发过程毛管断裂含水量(3)田间持水量(2)(1)E/Emθ第一阶段第一阶段土含超过田间持水量土含超过田间持水量第二阶段第二阶段土含介于田间持水量土含介于田间持水量与毛管断裂含水量之间与毛管断裂含水量之间第三阶段第三阶段土含小于等于毛管断裂含水量土含小于等于毛管断裂含水量§3土壤蒸发22土壤蒸发的实验验证土壤蒸发的实验验证土壤含水量大于田间持水量时土壤水分剖面的变化§3土壤蒸发22土壤蒸发的实验验证土壤蒸发的实验验证土壤含水量介于毛管断裂含水量和田间持水量之间时土壤水分剖面的变化§3土壤蒸发22土壤蒸发的实验验证土壤蒸发的实验验证土壤含水量在吸湿量下限和毛管断裂含水量之间时土壤水分剖面的变化§3土壤蒸发33土壤蒸发规律土壤蒸发规律⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤≥=mmsfmfmsfmssCEEEEθθθθθθθθθ,,,§3土壤蒸发44影响土壤蒸发的因素影响土壤蒸发的因素气象因素日照、温度、湿度、风速等土壤特性土壤孔隙性供水条件土壤含水量、地下水位§4植物散发1、散发现象植物从土壤中吸取水分，然后输送到茎和叶面，大部分水分从叶面和茎逸散到空气中，这就是散发现象。§4植物散发000EDDDEp+=2植物散发规律⎩⎨⎧≥=kkpEEbEθθεθθθε,0,00§4植物散发3影响植物散发的因素温度、日照、土壤含水量、植物生理特性温度、日照、土壤含水量、植物生理特性§5流域蒸散发流域蒸散发：流域上不同蒸发面（水面、裸土、岩石、植被等）的蒸发和散发总称为流域蒸散发。（一般，流域内水面占的比重不大，所以土壤蒸发和植物散发是流域蒸散发决定性部分。）§5流域蒸散发11流域蒸散发的影响因素流域蒸散发的影响因素影响土壤蒸发和植物散发的因素即是影响流域总蒸发的因素。综合起来，影响因素包括：（1）气象条件（日照、温度、湿度、风速等）；（2）流域内土壤含水量；（3）流域内土壤、植被分布；（4）地形、地貌。§5流域蒸散发22流域蒸散发规律流域蒸散发规律1.0(3)(2)(1)E/Emθbθaθ(1)θθa，E=Em（注:θaθf)供水充分，蒸散发量大而稳定。(2)θbθθa，E=(αθ)Em（注:θbθm)供水不充分，蒸散发量随θ的减小而减小。(3)θθb，E=CEm，C=0.05~0.10§5流域蒸散发33流域蒸散发的计算方法流域蒸散发的计算方法1.0E/EmWbWaW⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−−≥=bmabmabaamWWCE)(11,§5流域蒸散发44流域蒸散发能力的计算流域蒸散发能力的计算器蒸发的换算系数。流域蒸散发能力与蒸发—蒸发的换算系数；水面蒸发与蒸发器观测—蒸发的换算系数；流域蒸散发能力与水面—蒸发器蒸发。—水面蒸发；—流域蒸散发能力；—KKKEEEEKEKKEKEwwm×=××=×=§5流域蒸散发55流域蒸散发的空间变化流域蒸散发的空间变化一般而言，随高程增加，流域蒸散发能力会有所减小§5流域蒸散发EU,WU,WUMEL,WL,WLMED,WD,WDM上层(Upperlayer)下层(Lowerlayer)深层(Deeplayer)上土层蒸发量：EU=Em下土层蒸发量：EL=Em.WL/WLM深土层蒸发量：ED=C.Em土壤蒸发量：E=EU+EL+ED(notes:同时刻相加）66流域蒸散发计算（三层蒸发模式）流域蒸散发计算（三层蒸发模式）§5流域蒸散发66流域蒸散发计算（三层蒸发模式）流域蒸散发计算（三层蒸发模式）。，，时：，）（；，，时：，）（；，，时：，）（；，，时，）（上、下、深层蒸发量；—、、；上、下层土壤含水容量—、上、下层土壤含水量；—、ELEUECEDWLELPWUEUEUECWLEPWUEDEUECELPWUEUWLMCWLEUECEPWUEDWLMWLEUEELPWUEUWLMCWLEPWUEDELEEUEPWUEDELEUWLMWUMWLWUmmmmmmmmmm−−==+=−+=−=+=⋅≤−+=−=+=⋅≥+===≥+)()(40)()(30/)(200177我国蒸发量概况我国蒸发量概况§5流域蒸散发