Лекция 11

Тема: Методы измерения и расчета испарения с водной поверхности

Курс «Водно-балансовые исследования»

Метод водного баланса (1)

Испарение с поверхности водоема Е определяется как остаточный член уравнения, которое представляет собой алгебраическую сумму компонентов приходной и расходной частей водного баланса

E= P + Qп + Qп.подз. – Q0 – Qо.подз. ± ∆S

Р- осадки, выпадающие на поверхность водоема

Qп - поверхностный приток

Qп.подз. - подземный приток

Q0 - поверхностный сток из водоема

Qо.подз. - фильтрация или подземный отток из водоема

∆S - изменение запасов воды в водоеме за расчетный промежуток времени

Е - является результирующей собственно испарения и конденсации на поверхности водоема.

Метод водного баланса (2)

Практическое применение метода водного баланса для расчетов испарения с водоемов, несмотря на его универсальность, весьма ограничено сложностью организации прямых измерений многих составляющих уравнения водного баланса

Расчеты испарения этим методом производятся, как правило, за продолжительные периоды времени (месяц, сезон, год, многолетний период), а также при наличии определенных условий, когда значениями отдельных, трудно поддающихся измерениям составляющих водного баланса можно пренебречь или они заведомо близки к нулю.

Метод испарителей (1)

Создается сеть водноиспарительных площадок, оборудованная стандартными сетевыми испарителями ГГИ-3000 и эталонными водноиспарительными бассейнами площадью 20 м2

Наблюдения за испарением с водной поверхности сопровождаются наблюдениями за осадками, температурой поверхности воды в испарителе (бассейне), скоростью ветра, температурой и влажностью воздуха

Испарение между сроками наблюдений вычисляется из уравнения водного баланса испарителя или испарительного бассейна

E = P + ∆h

Е - слой испарения, мм

∆h = hнач - hкон - разность высот стояния уровня воды в предыдущий hнач и текущий hкон сроки наблюдений

Р - слой осадков, выпавший между сроками измерения уровня

Высота стояния уровня воды измеряется специальной бюреткой, которая устанавливается на реперную трубку в испарителе или бассейне

Слой осадков измеряется по наземному дождемеру.

Метод испарителей (2)

Комплект испарителя и дождемера называется испарометр ГГИ-3000

Для массовых наблюдений создаются водноиспарительные площадки III типа. Они оборудуются испарителями ГГИ-3000 и размещаются обычно на метеорологических площадках или возле

Площадки II типа предназначаются как для характеристики величины и режима испарения с водной поверхности в типичных физико- географических районах

Площадки I типа предназначаются для изучения процесса испарения, разработки методики наблюдений и постановки специальных тематических исследований. Они оснащаются испарительными бассейнами площадью 100 и 20 м2, испарителями ГГИ-3000, а также испарителями других размеров и конструкций

В дополнение к водноиспарительным площадкам, расположенным на суше, на акватории отдельных водоемов организуются наблюдения за испарением по испарителям и бассейнам, установленным на специальных плотах - плавучие установки.

Метод теплового баланса (1)

Метод определения испарения на основе оценки теплового баланса предложен И. С. Боуэн в 1926 г.

На – затраты тепла на турбулентный теплообмен LE – затраты тепла на испарение

Т0 и Тz - температура поверхности воды и воздуха на высоте Z

e0 - максимальная упругость водяного пара при тем - ре поверхности воды ez – упругость паров, находящихся в воздухе на высоте z

рa - атмосферное давление

L - удельная теплота испарения.

Эта формула получена в предположении, что коэффициенты обмена тепла и влаги в приземном слое атмосферы одинаковы.

Метод теплового баланса (2)

Уравнение теплового баланса для всей массы воды в водоеме при отсутствии фазовых превращений можно записать в следующем виде

Rпрям - прямая солнечная радиация Rрасс - рассеянная радиация

rв - альбедо водной поверхности

Rэф.в - потеря тепла путем излучения водной поверхности Rэф.а - встречное излучение атмосферы

LE - затраты тепла на испарение (L - удельная теплота испарения) На - теплообмен водной поверхности с атмосферой

НQп - тепло, приносимое в водоем поверхностным и подземным притоком НQо - тепло, выносимое из водоема со стоком пов- х и подземных вод

Нр - тепло, поступающее в водоем с дождевыми осадками Нес - тепло, теряемое вместе с испаряющейся водой или поступающее при

конденсации водяногопара В - теплообмен с грунтом

∆Н - изменение количества теплоты в водоеме.

Метод теплового баланса (3)

Первые члены этого уравнения, показанные в скобках, характеризуют поступление тепла за счет лучистой энергии и объединяются общим понятием радиационный баланс Rбал, под которым понимается остаточная радиация, задерживаемая деятельным слоем:

Rбал = (Rпрям + Rрасс)•(1 – rв) – (Rэф.в – Rэф.а)

Под деятельным слоем понимается слой воды h, в котором поглощается вся падающая на ее поверхность радиация

Уравнение теплового баланса для деятельного слоя воды при отсутствии фазовых превращений и горизонтального перераспределения тепла за

промежуток времени τ записывается в виде

Вh - теплообмен между деятельным и нижележащим слоями cв.уд. - соответственно удельная теплоемкость и плотность воды h - высота деятельного слоя воды

Последним членом уравнения учитывает изменение количества теплоты в деятельном слое воды ∆Нh.

Метод теплового баланса (4)

Высота деятельного слоя в водоемах изменяется в пределах от 2 до 20 м. При глубинах 5 - 10 м и более величины Вh и В, как правило, бывают малы по сравнению с остальными членами уравнения, поэтому для практического использования обычно применяется уравнение

Rбал = LE ± Ha ± ∆H

На основании этого уравнения с использованием соотношения Боуэна была получена формула для расчета испарения (мм/сут)

∆е = е0 – е2 - разность между максимальной упругостью водяного пара,

вычисленной по температуре поверхности воды, и абсолютной влажностью воздуха на высоте 2 м

∆Т – Т0 –Т2 -разность между температурой поверхности воды и температурой воздуха на высоте 2 м

Расчеты по полуэмпирическим формулам

Наибольшее применение на практике нашли методы расчета испарения по полуэмпирическим и эмпирическим формулам, основанным на использовании доступных гидрометеорологических данных

В 1969 г. ГГИ были подготовлены специальные Указания, в которых изложены наиболее достоверные формулы и методы для расчета испарения с поверхности водоемов

Испарение с водоема Еоз, расположенного на равнинной территории, в соответствии с рекомендацией этих Указаний рассчитывается по формуле

е0 - среднее значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме

е2 - среднее значение упругости водяного пара в воздухе на высоте 2 м над водной поверхностью

и2 - средняя скорость ветра над водоемов на высоте 2 м n - число суток в расчетном интервале времени