不同材料蒸发皿及环境因素对水面蒸发测定的影响

赵长龙，刘 毅，王金涛，董心亮，李永刚，孙宏勇*

（1.中国科学院 遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄 050022；2.中国科学院大学， 北京 100049；3.河北南大港农科所，河北 沧州 061103；4.河北省冀州区农业局，河北 衡水 053200）

0 引 言

【研究意义】环渤海地区是我国京津冀协同发展的重要区域，与珠三角、长三角构成我国重要的三大经济区[1]。同时，环渤海区也是我国湿地分布最集中的地理区域，占我国滨海湿地面积的63.6%[2]。在该地区存在大量的水体，准确估算这些水体的水面蒸发量对于淡水资源极度匮乏的环渤海区水资源评价和水资源有效开发利用具有非常重要的意义[3]。

【研究进展】目前，水面蒸发的直接测定主要是利用蒸发皿与蒸发器进行测定[4]，但各种蒸发器的测定值与实际水面蒸发量有一定的差异。小型蒸发器的蒸发量最大可达到实际水面蒸发量的2 倍以上[5]，E-601 蒸发器的蒸发量也可达到实际值的1.3 倍[6]，蒸发器观测值难以客观反映自然水体水面蒸发量的真实情况[7-8]。因此，蒸发器所观测的蒸发量不能直接用作水面蒸发量，需要乘以一个折算系数[9]。蒸发器的规格、材料以及蒸发器安置的位置均对蒸发量的测定精度有影响。当前国际上最常用的蒸发器是美国A 级蒸发器[10]，而国内气象站常用的水面蒸发观测仪器主要是Φ20 型蒸发皿与E-601 型蒸发器[5,11-14]。E20 蒸发池（20 m2）是世界气象组织推荐的标准蒸发池，其测定的蒸发量可近似视为实际水面蒸发量，由于其占地面积大及建设成本高，我国只有少数的站点采用该装置[15-17]，我国将E-601 型蒸发器作为标准水面蒸发器[18]。前人对不同规格的蒸发器进行了对比，结果表明，陆面Φ20 型蒸发皿所测定的水面蒸发量最大，其次是E-601 型蒸发器，E20 蒸发池水面蒸发量最小[12,19]。当前，国内对水面漂浮式蒸发器的研究也较少，仅少数实验站有漂浮式蒸发器[20]，且当前采用的漂浮式蒸发器一般都是E-601 型蒸发器，极少对Φ20 型蒸发皿进行漂浮试验[7]。漂浮式蒸发器的蒸发量远小于陆面蒸发器蒸发量[21-23]。暖湿的江南、华南地区，漂浮式蒸发器的蒸发量大于同型号的陆面蒸发器的蒸发量，而干旱的华北地区则春夏季漂浮式蒸发器的蒸发量小于同型号的陆面蒸发器的蒸发量，秋冬季则相反，年总蒸发量比较接近[20]。当前对于蒸发器的材料选用有2 种看法：部分学者认为蒸发器一定要用导热性良好的材料[24]，还有部分学者认为材料热传导系数小可改善蒸发器的性能[11,25]。相同规格的玻璃钢蒸发器与金属蒸发器相比，其更接近于标准蒸发池的蒸发量，对口径20 cm 的蒸发皿更为明显，其准确性与E-601型蒸发器接近[25]。【切入点】我国各省市水文站点基本都配备了Φ20 型蒸发皿，是我国使用最广泛以及使用时间最长的水面蒸发观测仪器[26-29]，本研究首次对Φ20 型蒸发皿进行漂浮试验，且对比了不同材料蒸发皿及陆面与水面环境对蒸发测定的影响。

【拟解决的关键问题】本研究立足于环渤海地区，通过对Φ20 型蒸发皿进行漂浮试验与材料对比试验，探究蒸发环境与材料对Φ20 型蒸发皿蒸发量的影响，进而确定不同环境条件下何种材料蒸发皿的蒸发量更接近于自然水体的实际蒸发量。由此寻找一种简便实惠、更加精确又更易推广的方法来观测水面蒸发量，为没有E20 蒸发池的区域提供更为精确的水面蒸发观测方法或思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019 年7 月4—20 日以及9 月3—19 日在河北省沧州市南大港管理区农林科学研究所进行。南大港管理区农林科学研究所位于河北低平原区，东经117°21′，北纬38°29′，海拔4 m，属于暖温带半湿润大陆性季风气候区。南大港管理区临近渤海湾，略带海洋气候特征，年平均气温12.1 ℃，无霜期194 d，年均日照时间2 810 h，年降水量642.5 mm[30]，年平均风速3.4 m/s[31]。

1.2 试验设计

试验在南大港管理区农林科学研究所的坑塘南侧及坑塘南岸进行。试验分为陆面试验与水面漂浮试验，试验所用Φ20型蒸发皿采用铁与亚克力2种材料，铁蒸发皿统一为内径20 cm，深10 cm 的蒸发皿（Φ20-I），亚克力蒸发皿有内径20 cm、深10 cm 的蒸发皿（Φ20-A）以及内径20 cm、深20 cm 的蒸发皿（Φ20-AH）。陆面试验在坑塘西南角的草地进行，距坑塘南侧岸堤约5 m，蒸发皿距地面约0.7 m，共2个处理，为装坑塘水的铁蒸发皿（LI，CK）和装坑塘水的亚克力蒸发皿（LA），蒸发初始水深均为30 mm，每个处理设置3 个重复。水面漂浮试验在坑塘南侧水面的中部位置进行，距坑塘南侧岸堤约5 m，将蒸发皿放置在漂浮于水面的透明大圆桶中，透明大圆桶内径为60 cm，深20 cm。水面漂浮试验共4 个处理，分别为蒸发初始水深为30 mm 的铁蒸发皿（WI）、高10 cm 的亚克力蒸发皿（WA）、高20 cm的亚克力蒸发皿（WH）以及蒸发初始水深为50 mm的铁蒸发皿（WD）。每个处理均设置了3 个重复。同时在陆面放置了3 个空的铁蒸发皿（LE），降雨发生时，其作为雨量计计量当天的降水量。

表1 处理与编号对应表 Table 1 The definition of experimental treatments

1.3 数据来源和计算方法

本研究所使用的气象数据，日照时间来源于中国气象数据网，其他气象数据均来源于南大港农林科学研究所的微型气象站。

蒸发皿的日蒸发量观测均采用称质量法，每日08:00 采用精度为0.01 g 的电子秤称蒸发皿的质量，蒸发用水每日进行更换。每日08:00、14:00、18:00采用精度为0.1 ℃的TES 热电偶温度计测量坑塘及蒸发皿中水面10 mm 以下的温度。

由于E20 蒸发池占地面积大及建设成本高等问题，我国常将E-601 蒸发器所测定的蒸发量视为实际水面蒸发量。经计算，7、9 月地面Φ20 型铁蒸发皿的蒸发量（LIE）对E0的折算系数分别为0.73、0.76，略高于沧州地区Φ20型铜蒸发皿蒸发量对E-601型蒸发器7 月与9 月的多年平均折算系数，其分别为0.65、0.70[33]。由于Φ20 铜蒸发皿的热传导性能较Φ20 铁蒸发皿好，铜蒸发皿的蒸发量比铁蒸发皿约大8%[34]。将铁蒸发皿的蒸发量换算成铜蒸发皿的蒸发量，换算后的蒸发量7、9 月对E0的折算系数分别为0.67 和0.70，与铜蒸发皿对E-601 型蒸发器的折算系数一致。故水面潜在蒸发量E0与E-601 型蒸发器的蒸发量基本相等，E0可以代表当地自然水体的蒸发能力。因此，本研究以E0作为水面蒸发的参考标准。

潜在蒸发量E0的计算采用付学功等[32]修正的彭曼公式，该公式的修正改进以河北省衡水实验站E20蒸发池（20 m2）的数据为基础，其计算的年蒸发总量与20 m2蒸发池蒸发量的相对差绝对值在0.1%～5.6%之间，效果较好，适用于河北平原区。

相关统计分析采用SPSS 统计软件。

2 结果与分析

2.1 不同蒸发皿日蒸发量与潜在蒸发量的比较

7 月是一年中温度最高的时期，也是最后一个升温期，9 月是降温期，故选用7 月以及9 月作为典型月份。试验于7、9 月的上旬与中旬进行。由图1 可知，地面铁蒸发皿的蒸发量（LIE）＞地面亚克力蒸发皿的蒸发量（LAE）＞水面潜在蒸发量（E0）≈水面漂浮铁蒸发皿的蒸发量（WIE）＞水面漂浮亚克力蒸发皿的蒸发量（WAE），其日均蒸发量分别为6.7、5.5、5.0、4.8、3.4 mm。总体来说，在同样的环境条件下，铁蒸发皿的蒸发量大于亚克力蒸发皿的蒸发量。使用同种材料蒸发皿的情况下，陆面蒸发皿的蒸发量远大于水面漂浮蒸发皿的蒸发量。地面亚克力蒸发皿的蒸发量比较接近水面漂浮铁蒸发皿的蒸发量。

将潜在蒸发量E0与各蒸发皿所观测蒸发量进行了对比分析，其拟合情况如图2 所示。从图2 可以看出，WIE、LAE、WAE、LIE、WDE、WHE 与E0的拟合系数R2分别为0.79、0.70、0.74、0.68、0.74 以及0.76，其中水面铁蒸发皿的蒸发量（WIE）与E0拟合情况最好。

由此，认为WI 的蒸发量（WIE）基本上能代表该区域水面蒸发潜力，WI 可作为一种观测水面蒸发的推荐方法。

图1 不同蒸发皿测定的日蒸发量与日水面潜在蒸发量的对比 Fig.1 Comparison of the daily evaporation measured using the different pan and the potential evaporation

图2 各蒸发皿蒸发量与潜在蒸发量的拟合关系 Fig.2 Fitting relationship between evaporation using different pan and the potential evaporation

2.2 不同材料蒸发皿测定水面蒸发量的比较

图3 反映了观测期间陆面试验与水面漂浮试验中铁蒸发皿和亚克力蒸发皿测定的蒸发量的关系。由图3 可知，铁蒸发皿测定的蒸发量比亚克力蒸发皿的大，陆面试验中铁蒸发皿测定的蒸发量约为亚克力蒸发皿的1.2 倍，而水面漂浮试验中的铁蒸发皿测定的蒸发量接近亚克力蒸发皿的1.4 倍。其原因可能是铁的导热率比亚克力高。在同样的太阳辐射条件下，铁蒸发皿的温度较亚克力高[35]，同时铁蒸发皿能快速地与蒸发皿中的水体进行热交换，故铁蒸发皿中水体温升较快。图4 中LI-LA 为地面铁蒸发皿与亚克力蒸发皿中水温的差值，WI-WA 为水面铁蒸发皿与亚克力蒸发皿中水温的差值。由图4 可知，在蒸发用水初始温度相同的情况下，铁蒸发皿中水体温度上升较亚克力蒸发皿中水体快。由于水面漂浮铁蒸发皿与亚克力蒸发皿中水体的温差较大，故水面漂浮的2 组蒸发皿的蒸发量差异也较陆面的大。

水面漂浮式铁蒸发皿与亚克力蒸发皿测得的蒸发量相关关系较陆面差，其原因可能是水面漂浮式蒸发皿受风浪的影响较大，在有浪的情况下，蒸发皿中的水面不能保持水平，各蒸发皿内壁的浸润面积不一样，故导致蒸发皿所测得的蒸发量有一定的误差。

图3 铁蒸发皿与亚克力蒸发皿蒸发量的关系 Fig.3 The relationship between the evaporation measured using iron pan and acrylic pan

图4 14:00 铁蒸发皿与亚克力蒸发皿中水温的差值 Fig.4 The difference of water temperature between iron pan and acrylic pan at 14:00

2.3 不同高度蒸发皿测定水面蒸发量的比较

本研究也考虑了蒸发皿的高度对蒸发量的影响，该对比试验在水面漂浮式蒸发皿中进行，对照组为内径20 cm，高10 cm 的亚克力蒸发皿（WA），控制组为内径20 cm，高20 cm 的亚克力蒸发皿（WH），蒸发用水均为坑塘水，初始蒸发水深为30 mm。由图5（a）可知，2 类蒸发皿的蒸发量基本一致，差异不是很明显。2 种类型的蒸发皿中水体的温度基本一样，差异不大。

2.4 不同初始水深蒸发皿测定水面蒸发量的比较

本研究也考虑了不同初始水深对蒸发量的影响，该对比试验亦在水面漂浮式蒸发皿中进行，对照组为初始蒸发水深为30 mm 的铁蒸发皿（WI），控制组为初始水深为50 mm 的铁蒸发皿（WD），均采用坑塘水。由图5（b）可知，2 种处理的日蒸发量差异不大。

图5 不同高度、不同初始水深蒸发皿蒸发量 Fig.5 Evaporation capacity of pan under different height and initial water depth

2.5 影响因素分析

2.5.1 陆面与水面环境对蒸发皿蒸发量的影响

本研究中的蒸发皿处于陆面与水面2 种环境，水面漂浮式蒸发皿WI 中水体的平均温度比坑塘水体高0.1 ℃，而蒸发皿WA、LI 以及LA 中水体的温度分别比坑塘水体低1.4、1.6 ℃和2.2 ℃，表明水面漂浮式蒸发皿中水体的温度高于陆面蒸发皿。其原因可能是水面漂浮式蒸发皿周围是比热容高的坑塘水体，且坑塘水体体积大，坑塘水体温度升高之后散热较陆面蒸发皿中的水体慢。从更换完蒸发用水开始水面漂浮式蒸发皿就一直处于温度较高的环境中，前期升温较快，后期降温较慢。然而水面漂浮式蒸发皿中水体的日蒸发量远小于陆面蒸发皿，其原因可能是坑塘水面的相对湿度大、饱和水汽压差小，以至于水面蒸发皿中水体的蒸发量较陆面蒸发皿小。水面漂浮式蒸发皿中水体的蒸发环境较陆面蒸发皿更接近于坑塘自然水体的蒸发环境，故可认为水面漂浮式蒸发皿的蒸发量更接近于坑塘水体的实际蒸发量。就水面漂浮式铁蒸发皿与亚克力蒸发皿而言，材料对蒸发皿中水体的局部蒸发环境有较大影响，铁蒸发皿中水体的温度与坑塘水体温度基本一样，而亚克力蒸发皿中水体温度较坑塘水体温度低，故其蒸发量可能低于坑塘水体的实际蒸发量。图6 中LIE-WIE 为蒸发皿LI 与蒸发皿WI 日蒸发量的差值，LAE-WAE 为蒸发皿LA 与蒸发皿日蒸发量WA 的差值。图6 表明环境对铁蒸发皿和亚克力蒸发皿蒸发量的影响基本一致，环境对蒸发皿蒸发量的影响比较稳定，不会因蒸发皿材料的不同而不同。

2.5.2 气象因素对水面蒸发量的影响

气象因素主要包括风速、相对湿度、总辐射、日照时间、气温、水温等，水面蒸发量与各气象因素的相关分析结果如表2 所示。

图6 陆面蒸发皿与水面蒸发皿蒸发量的差值 Fig.6 Difference of evaporation between land and floating pan

表2 水面蒸发量与气象因素的相关分析结果 Table 2 Correlation analysis results of water surface evaporation and meteorological factors

由表2 可知，水面蒸发量与水面温度以及饱和水汽压差的关系非常密切，在P=0.01 水平下达到极显著水平；水面蒸发与日照时间以及总辐射之间的相关关系在P=0.01 水平下达到显著水平。平均水温和饱和水汽压差是影响水面蒸发的重要因素，但它们之间的关系不是明显的线性关系，水面蒸发量与饱和水汽压差以及水面温度呈二次曲线关系，如式（1）与式（2）所示。为通过主要的气象因素估算水面蒸发量，对水面蒸发量与主要影响因素饱和水汽压差、水面温度进行了多元线性回归，结果如式（3）所示。

2.5.3 材料与环境对蒸发皿蒸发量影响的比较

材料对蒸发皿蒸发量的影响已在2.2 中进行讨论，本节仅探讨材料与环境何者对蒸发皿蒸发量的影响更大。本研究通过SPSS 23.0 软件对材料与环境对蒸发皿蒸发量的影响做了方差分析，分析结果如表3 所示。

表3 不同环境与不同材料对蒸发皿蒸发量影响的方差分析结果 Table 3 Variance analysis of the influence of different environment and materials on pan evaporation

由表3 可知，环境与材料的检验P 值均小于0.05，其中环境的检验P 值为0.3×10-8，材料的检验P 值为0.001，表明环境与材料均对蒸发皿蒸发量有显著影响。从贡献的离差平方和来看，环境因素贡献的离差平方和为131.589，其远大于材料因素的，故环境因素对蒸发皿蒸发量的影响更大。

3 讨 论

蒸发器的材质与型号对测定水面蒸发量影响显著。不同型号蒸发器测得的蒸发量存在一定的差异[36]，同种型号不同材料的蒸发器测得的蒸发量亦存在一定的差异[34,37]。本研究中铁蒸发皿的蒸发量是亚克力蒸发皿蒸发量的1.2～1.4 倍。同种型号的蒸发皿处于同一地点的不同环境中，其蒸发量亦存在一定的差异[20]，陆面蒸发皿观测的蒸发量约是水面漂浮蒸发皿的1.5 倍。对于蒸发皿材料对蒸发量的影响，当前只对比了铁和亚克力，就处于陆面的这2 种蒸发皿来说，利用亚克力蒸发皿所观测的蒸发量更接近于实际水面蒸发量。这与裴步祥[25]的研究结果一致，同类型的玻璃钢蒸发器较金属蒸发器的蒸发量更接近标准蒸发器的蒸发量，即采用热传导率小的材料能够提高陆面蒸发器的观测精度。研究所采用的2 种材料的蒸发皿，内径与内部高度均保持一致，暂未讨论壁厚与颜色对蒸发量的影响。就陆面Φ20 型蒸发皿来说，是否还有其他材料的蒸发皿观测的蒸发量更接近于实际水面蒸发量仍有待于进一步研究。

准确测定水面蒸发量的标准方法仍是需要进一步探讨的问题。当前，国外把20 m2的蒸发池作为直接测定水面蒸发的标准方法，但由于其建设和维护费用高等问题，其难以被广泛推广应用。我国将E-601型蒸发器作为标准水面蒸发器，但是其与20 m2蒸发池测定的量也有一定差距。本研究以彭曼修订公式计算的潜在蒸发量（E0）作为一个参考值，并根据折算系数对其进行了验证，其能代表研究区水面蒸发量。陆面蒸发皿的蒸发量均明显大于E0，陆面铁蒸发皿（LIE）测定的蒸发量约为E0的1.34 倍，亚克力蒸发皿（LAE）测定的蒸发量约为E0 的1.1 倍。水面漂浮式铁蒸发皿测定的蒸发量（WIE）与彭曼修订公式的计算结果E0较为一致，这是因为其外部蒸发环境以及蒸发皿中水体温度与坑塘水体基本一致，其在所有处理中最接近坑塘水体蒸发环境。水面漂浮式亚克力蒸发皿测定的蒸发量小于E0，该蒸发皿中的水体温度比坑塘水体温度大约低2 ℃，此时温度可能是影响蒸发的主要因素[38]。相比较而言，水面漂浮式铁蒸发皿更能代表坑塘水体蒸发的实际情况。故水面漂浮式铁蒸发皿可作为该区域一种推荐采用的水面蒸发观测方法，但实际水面蒸发量的精确测定仍需进一步研究。

环境因素是影响水面蒸发测定精度的重要因素。就陆面环境和水面环境来说，环境对蒸发皿蒸发量的影响大于材料对蒸发皿蒸发量的影响。以往研究表明，陆面Φ20 型蒸发皿观测的蒸发量远高于实际水面蒸发量[36]，这与本研究结果一致。水面漂浮式蒸发皿的蒸发环境更接近于实际蒸发环境，故认为处于水面环境的漂浮式蒸发皿测定的蒸发量更接近于实际蒸发量。对于水库、湖泊等大水体蒸发量的观测，采用漂浮式水面蒸发皿较为准确。但是水面漂浮式蒸发皿受风浪影响较大，大风大浪可能会使蒸发皿中的水荡出蒸发皿，或者使湖泊等自然水体进入蒸发皿，从而导致观测不准。Φ20 型蒸发皿相对E-601 型蒸发器，造价低廉，观测方便，在风浪较小的区域或风浪较小的季节可考虑将其作为水面漂浮式蒸发皿。

4 结 论

1）蒸发皿的制作材料，型号以及其所处的环境和初始水深、蒸发皿高度等因素均会对水面蒸发量观测精度产生影响。蒸发皿所处的环境是影响水面蒸发观测精度最主要的因素，陆面蒸发皿远大于水面漂浮式蒸发皿观测的蒸发量。

2）蒸发皿的材质也是影响水面蒸发量观测精度的重要因素，在同一环境中，热传导率高的蒸发皿所测得的蒸发量大于热传导率低的蒸发皿。就陆面蒸发器而言，热传导率小的蒸发器测定精度较高；而对于水面漂浮式蒸发器来说，导热性能好的蒸发器测定精度更高。故对水面蒸发进行观测时，在条件允许的情况下，应尽量采用导热性能好的水面漂浮式蒸发器，利用陆面蒸发器时则建议采用热传导率低的蒸发器。

3）蒸发初始水深与蒸发皿的高度对蒸发量的观测精度影响不显著。同时，对于研究区内气象因素而言，饱和水汽压差、平均水温以及日照时间是影响水面蒸发的主要气象因素。