中国水面蒸发器的发展简史与相关技术问题探讨

王积强 陆 旭 刘巽民

(1.中国科学院新疆生地所,乌鲁木齐 830011;2.水利部水文仪器及岩土仪器质量监督检测中心,南京 210012;3.南京水利水文自动化研究所,南京 210012)

水面蒸发是关于环境的一项指标,其一定要能代表当地的小气候环境,包括空气和土壤,所以水面蒸发器产品一定要用导热良好、具有固定颜色(如白色或灰色)的材料来制造。所谓可比性,就是站网上使用的水面蒸发仪器都要一样,这样才能突出对环境监测的差异性。此外,水面蒸发器的器内水质要无杂物,无绿苔,含盐要小于3.6g/L,并且要保持器内水深一致,最好采用具有放大功能的蒸发测量传感器或专用计量装置。

一般而言,水面蒸发器的组成结构、部件要越简单越好。对E601型水面蒸发器来说,技术上是否应考虑废弃测针、去掉水圈和土台,改善溢流系统,增加底侧翼和定压安全阀,并且将蒸发桶口缘高出水面和土面7.5cm,最好用加排水 (人工或半自动)办法,来稳定蒸发器的器内水深,从而准确观测实际的蒸发量。

1 中国水面蒸发器发展简历

20世纪20年代,国内曾经用Ф 800～1000mm直径的套盆式水面蒸发器来观测蒸发,其只测同心内盆的水面蒸发,而内外盆之间有一个10cm宽的水圈。1949年后,我国引进前苏联 Г Г И-3000型,为防止中央测杆上下位移和摇摆,蒸发器做成锥形底,锥高8.7cm,测杆有多个水平支撑,蒸发桶口缘高出土面和水面7.5cm,用集水杯和量管观测水面蒸发量,因无溢流系统,暴雨时水漫出口缘而缺测。1960年中国水利部水文局,组织研究了在 Г Г И-3000型基础上,加了溢流桶 (上管口在口缘下6.0cm)和10cm宽水圈 (Ф 800～1000套盆特有),去掉具有放大功能的测具 (集水杯和量管),换上了水位测针 (为一种缩小功能测具),从而形成了之后比较经典的 “E601型水面蒸发器”。

1973年,世界气象组织仪器和观测方法委员会第六届会议通过了美国A级 (Ф 1200×250蒸发器,平均水深20cm,放在10cm高木架上)和Г Г И-3000型 (Ф 618×600,口缘高出土面和水面7.5cm)为站网标准蒸发器。

而我国在1973年的杭州会议上,研究交流并讨论了E601使用13年的经验,提出因测针观测不方便和误差较大而需要抬高口缘的问题;又提出因蒸发桶内外溅水不平衡的问题,而需要加宽水圈,将蒸发桶和水圈都放在土台上,由此确定为 “改进后的E601型水面蒸发器”,于1979年开始向全国推广;在这次会议上,有关专家还专题讨论了玻璃钢E601蒸发器的代表性问题,终因隔热问题被会议否定[1,2]。

1982年在新疆阿克苏试验站,发现蒸发器的器内水深对蒸发量影响很大,当时用Ф 20cm×20cm蒸发器进行试验测定,就发现:在一般情况下,当水深偏大5cm时,蒸发就会偏大10%,而用隔热蒸发器 (玻璃钢质)则可增加到20%,并且主要发生在晚上;而在暴雨情况时,水深大时溅出水多,实得雨量偏小,误认为是蒸发;水深小时溅出水少,实得雨量偏大,常算出 “负蒸发”,这就是所谓的 “溅水误差”。E601型内 (蒸发桶)外 (水圈)溅水不平衡的原因是溅水面的高度 (水位)不同,与水圈宽度无关。为增加蒸发资料可比性,稳定水深是第一位的,必须废弃需要水深变化的测具。用隔热蒸发器做水草增温值试验时,白天有一个正增温过程 (因太阳辐射和水草导热不良),晚上有一个负增温过程 (因水草导热不良);但用铁质E601K做水草增温试验时,发现白天的正增温较小且历时长,晚上的负增温却不存在了,这说明铁质E601K器内外热量交换很多,可代表土壤环境。而做不同含盐量的试验发现,当含盐小于3.6g/L时,对蒸发量基本没有影响,但绿苔影响却是很大。

1983年我们对水面蒸发器做了一次比较成功的科学实验,发现器内铁支架会增加水面蒸发量;因此同年我们就设计了一种新的E601K型水面蒸发器,其与原E601型相比较,去掉了测针 (用体积法观测)和器内铁支架、溢流桶,还去掉了水圈和土台,蒸发桶口缘高出土面和水面7.5cm,完善了溢流系统,用带静水器的垂直溢流管,排出多余的加水和降水,并在1985年的西安水面蒸发会议上公开该E601K的设计;会议上又重点探讨了水面蒸发器的安全过冬问题,通过我们1985～1986年的精心研制,该问题也获得圆满解决,即水下设定了定压安全阀,可自动排出冰下超压水,以保持冰面平整[3]。

2007年在阿克苏站,试验成功底侧翼可稳定口缘水平的试验,初步完善了E601K型站网用 “标准蒸发器的组成”[4]。2010年设计自动供排水水面蒸发器,对稳定水深达到极高标准,目前正在计划制做新样机。

2 蒸发器性能 (代表性与可比性)试验

自然界中的水,无论它的水温、含盐量怎样,只要蒸发器中的水与测定水体相近,水中和水面上没有杂质,蒸发器的器壁导热良好,就可认定为代表周围小气候[10]。

但可比性比较复杂,如果影响水面蒸发量的因素有a、b、c、d、e五种,站网上多个蒸发器,前四种都一样,只有e(环境)不同,则蒸发量随e而不同,可比性很好;若d(水深)和e都不同,则蒸发量是水深和环境的函数,可比性就差,需做d(水深)修正,才能显露出环境 (e)的特点;若a、b、c、d、e都不同,则可比性很差或无可比性。这种仪器就应尽早淘汰,其观测数据就没有什么参考价值。

蒸发量是一个环境指标,这个环境包括空气环境和土壤环境,如空气温度、湿度、风速、水汽压,土壤温度、湿度、植被等,但仪器本身对蒸发也有直接影响,如水体大小、水深、口沿离水面和土面的高度、蒸发桶颜色和导热率、加排水管路是否堵、电器元件是否过关等。如1988年在南京审查 《E601型系列水面蒸发器》国家标准时,就有很多专家提出蒸发器的溢流桶不好用,有位专家深有体会的讲:“下暴雨时很紧张,披着雨衣,提着水桶跑到观测场,从蒸发筒内提出一桶水又跑回观测室,生怕水从蒸发桶漫出而缺测,”很多测站干脆就都不装溢流桶。此外,暴雨时蒸发桶与周围土壤摩擦力很小,很容易发生口缘歪斜,水尺零点改变,资料不连续,测针不同方位读数不同,可差几个毫米,同时雨时观测读数 (针尖)延长了1～2mm;而当测针座有泥沙后,零点也就发生改变了;有的蒸发器安装后的口缘离地面高度相差很大,可从7cm到30cm,另外土台的高度不同,材料不同,有的还人工种上几棵草,三个水圈内水位不同与蒸发桶内水位也不同,这些都改变了蒸发热环境并会发生溅水差异,资料可比性很差。1993年之后,有关技术人员发明了一个技术专利[7],与笔者的很多想法[6]不谋而合,即去掉了蒸发器的测针、水圈、土台和溢流桶部分,恢复到 Г ГИ-3000型原貌,只是口缘偏高一点。

2005年水利部水文局组织对 《E601型系列水面蒸发器》国家标准进行了修订工作,其成果也基本体现在GB21327-2007[8]的图2中,而测量蒸发的主要传感器 (蒸发筒)就与原设计的E601k型很相近了。

3 现行国家标准(GB21327-2007)的改进意见或建议

现行国家标准[5,8]与1960年的E601型比较,只是去掉了器内铁支架,其他 (水圈、溢流桶、测针等)完全一样,经过50年的大量实验,现初步提出8项改进意见和建议。

(1)废弃测针。因为测针允许水深变化 (70或100mm),降低了可比性,必须废弃,用体积法观测。

(2)改进溢流系统。现在的溢流管口没有静水器保护,排水很不稳定,风吹波浪经常间歇性排水,大雨时又来不及排水,一片树叶可堵住排水管口造成缺测。应该去掉溢流桶,按 E601K型图纸,排水管改成垂直的,上口缘距蒸发筒口缘7.5cm,周围有净水器保护,排水不受器内风浪影响。溢流小桶用一个大桶保护,地面积水灌不到活动小桶内,水账才算得清。

(3)去掉水圈。水圈为中国 Ф 800～1000套盆式所特有,世界气象组织没有认可,三个水圈内水深与蒸发桶内水深各不相同,水温不同,影响热平流方向,水位高低也不同,暴雨时溅水不平衡,应该废掉。

(4)去掉土台。土台是因为测针观测不方便而诞生,若测针已废弃,土台就没有存在的理由。

(5)用底侧翼稳定蒸发筒口缘。蒸发筒为锥形底,很容易发生不均匀下沉,使口缘不水平,影响受雨和蒸发面积,在桶壁下方做一个10cm宽的水平翼,在翼上土均压下,蒸发桶口缘不易歪斜。

(6)蒸发桶口缘离地面和水面都应稳定在7.5cm。这是世界气象组织规定的,Г Г И-3000型与 20m2(Ф 5m×2m)蒸发池都这样。

(7)冬季冰面平整。北方地区冬季冰厚速增时,冰下水压可达40大气压,一般焊缝开裂,冰面中心隆起。在蒸发桶下方引出一管,经定压安全阀,把冰下超压水及时排入活动量桶,确保冰面平整。

(8)蒸发桶的材料要求导热良好且不变颜色。过去的建材以钢铁为主,埋入地下且装水,很容易锈蚀变黑色,蒸发量偏大,每年都要涂一次油漆,影响资料的连续性和可比性。用玻璃钢制作后,与周围土壤热交换减小,影响蒸发资料的代表性;若仍用测针观测,又大大降低可比性。现在建材发展很快,如铝塑板可为轻便不变色材料,在定压安全阀保护下,蒸发桶的厚度要求不要太大,完全可取代钢铁和玻璃钢。专利法规定材料不受保护,但材料的性质 (如导热率)是可保护的。

结 语

本文简述了中国水面蒸发器的发展简历和存在的问题,中国Ф 800～1000套盆蒸发器有10cm宽水圈,Г Г И-3000型无溢流设备,E601型内外溅水不平衡的原因是10cm宽水圈内水面与蒸发桶内水面不一样高,E601B型因导热不良水深对蒸发量的影响增大1～2倍,可比性比铁质E601型差,与周围土壤热交换少,代表性也差。

因此,对现行国标[5,8],提出8项改进:废弃测针、改进溢流系统、去掉水圈、去掉土台、用底侧翼稳定蒸发桶口缘,蒸发桶口缘离地面和水面都是7.5cm,安装定压安全阀及时排出冰下超压水,保持冰面平整,用导热良好的材料做蒸发桶,提高代表性与可比性。

顺便说明一点,因为水面蒸发是发生在水面之上,因此水面的上下左右都称环境,环境的微小变化都会对水面温度有影响,水面温度直接对水面蒸发产生影响,水面温度的变化还与水体大小有关,水体大的,热容量大,升温慢,降温也慢,引用蒸发量时必须注明水体大小,如 Ф 20cm,20m2,Г Г И-3000等,它们的水面温度相差很大,变化也不一样,蒸发量相差很大,只有相关关系,关系的稳定与各自的性能有关,如水深是否稳定,溅水是否平衡。各自都有自己的代表性与可比性。天然水体非常复杂,没有一种仪器可以代替,但某个水体与仪器存在相关关系,关系的稳定也与该仪器性能有关,与大小无关,按水面蒸发器改进的方向[9]改进的仪器[10～14],相关关系就稳定。

天然湖泊蒸发量就是把E601K型改装后,埋于湖周边无高草的滩地与大站上20m2和E601K同步观测,经过两种换算 (口径换算和环境换算)用逐步逼近法测算湖面蒸发量[3],这是研制水面蒸发器的最终目的。1972年9月世界气象组织蒸发工作组在日内瓦会议上做出决定,认为以20m2蒸发池研究浅水湖泊蒸发,可以得出满意的结果,会后世界各地在大气候区和湖泊带安装20m2蒸发池,以研究区内湖泊蒸发。前苏联已在20世纪50年代就绘出20m2与 Г Г И-3000型蒸发比值的等值线图, 中国也应该与苏接轨,并用改进后的新仪器[11,13],测出较稳定的时空变化等值线图,供水文气象部门使用。

总之,希望用我们自己的理性劳动,研制代表性与可比性都比较好的水面蒸发器在站网上使用,不断改进,不断取代落后的仪器,测量出真正能够代表环境的水面蒸发量,为水利水文事业的发展做出基础性服务。

[1]施成熙等.水面蒸发器的折算系数研究[J].地理科学,1986,6(4):304-313

[2]姚永熙主编.水文仪器与水利水文自动化[M].河海大学出版社,2001:117-125

[3]王积强.中国北方地区若干蒸发实验研究[M].北京;科学出版社,1990:1-53,107-108

[4]王积强.水面蒸发器的研发过程与创新 [J].科技创新与品牌,2008年12期:30-31

[5]申德裕等.E601型系列水面蒸发器[G].南京水利水文自动化研究所,GB11829—89

[6]王积强.推荐E601型水面蒸发器的检测方法 [J].水利技术监督,2010,18(1):14-15

[7]申德裕等.自动补水式水面蒸发量传感装置[P].水利部南京水利水文自动化研究所:ZL94231758.0

[8]申德裕等.水面蒸发器 [G].水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心,南京水利水文自动化研究所:GB21327—2007

[9]王积强.玻璃钢蒸发器的三个改造方向[J].新疆气象,1993,(3):51-52

[10]王积强.代表性与可比性是蒸发测站建设的两个关键问题 [J].干旱区水文水资源,1992,(1):9-13

[11]王积强.一种水、冰面蒸发器[P].中国科学院新疆生地所:ZL200420008353.8

[12]王积强.一种水面蒸发器[P].中国科学院新疆生地所:ZL200720129453.x

[13]王积强.蒸发池的水面指示器[P].中国科学院新疆生地所:ZL200820103432.5

[14]王积强.自动供排水蒸发皿[P].中国科学院新疆生地所:ZL200820103798.2