3.1 Метод теплового баланса

Метод теплового баланса для оценки испарения с водной поверхности впервые применен Е. Шмидтом. Метод предусматривает использование уравнения теплового баланса, записанного для водной поверхности в следующем виде:

R=L_иE+P+B,

R - радиационный баланс,

L_и - удельная теплота испарения,

E - испарение,

P - турбулентный теплообмен между водной поверхностью и воздухом,

В - теплообмен между водной поверхностью и нижележащими слоями воды.

В уравнении приведены только главные составляющие теплового баланса, оно выражает закон сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону, разность между поступающей тепловой энергией в водоем и уходящей из него должна быть равна изменению количества теплоты водной массы водоема (изменению его энтальпии) за рассматриваемый промежуток времени. Применительно к поверхности воды эта разность тепловой энергии равна нулю.

С учетом известного отношения Боуэна, устанавливающего связь между количеством теплоты, получаемой водной поверхностью от воздуха при турбулентном теплообмене, и количеством теплоты, затрачиваемой на испарение,

P/(L_н-E)=(ρc_р-k_t-dt/dz)/(L_н-ρk_e-dq/dz)=c_р/L_н=dt/dq,

уравнение относительно испарения примет вид:

E=(R-B)/[L_н(l-α-dt/dq)],

где ρ и с_Р - плотность воздуха и его удельная теплоемкость при постоянном давлении, k_t и k_е - коэффициенты турбулентности переноса теплоты и водяного пара, t и q - температура и удельная влажность воздуха,

α=с_р/L_и

При выводе этого уравнения принято равенство коэффициентов k_t и k_е. Однако данные многочисленных экспериментов, выполненных в нашей стране и за рубежом, свидетельствуют о том, что соотношение этих коэффициентов турбулентности меняется в зависимости от устойчивости атмосферы. В частности, А. Р. Константинов и М. П. Тимофеев показали, что значения коэффициентов k_t и k_е различаются на 5-10%, что обычно лежит в пределах точности расчета, поэтому допущение их равенства большой ошибки в вычисление испарения не привносит.

Подставив средние значения удельной теплоты испарения воды (L_и=2500 кДж/кг) и удельной теплоемкости воздуха (с_р=1,0 кДж/(кг°С), а также перейдя от удельной влажности q к парциальному давлению водяного пара в воздухе е, пренебрегая при этом поправкой на давление, получим:

E=(R-B)/[250(l+0,64∆t/∆e)],

где Е в мм/ч; R и В в кДж/(м² ч),

∆t - разность температуры поверхности воды и воздуха, измеренной на высоте 2 м,

∆е - дефицит насыщения на высоте 2 м.

Метод теплового баланса не нашел широкого применения в гид­рологической практике, связанной с расчетами испарения. Основная причина его малой применимости заключается в отсутствии данных непрерывных градиентных наблюдений за метеорологическими элементами над акваторией водоемов, а также в отсутствии наблюдений за теплообменом в их водной массе. [2]

3.2 Метод водных испарителей

Для характеристики испарения с водной поверхности на территории страны создана сеть водно-испарительных площадок, оборудованных стандартными сетевыми испаромерами ГТИ-3000 (площадью 0,3 м² , высотой 0,6 м) и эталонными водно-испарительными бассейнами (площадью 20 м² , глубиной 1 м). Водно-испарительные площадки, на которых осуществляется постановка специальных тематических исследований, оснащаются еще испарительными бассейнами площадью 100 м² . Испарение между сроками наблюдений по испаромеру вычисляется как разность между уровнями воды в нем в предыдущий и текущий сроки наблюдений плюс слой осадков за период наблюдений. Чтобы воспользоваться данными наблюдений по испаромеру для определения испарения с изучаемого водоема необходимо эти данные откорректировать поправочным коэффициентом. Так, например, расчетное уравнение перехода от показаний прибора к испарению с поверхности водоемов площадью до 1000 км , полученное В. С. Голубевым, имеет следующий вид:

Е=0,43Е₀₃+0,91h_θ-1,2∆h_θ+2,4τ_дн-8,1∆τ_дн-35,

где Е и Е_0,3 - месячные нормы испарения соответственно с поверхности водоема и испаромера ГГИ-3000, мм/мес; h_θ и τ_дн - полуденная высота Солнца (градус) и продолжительность дня (ч) от восхода до захода Солнца на 15-е число месяца; ∆h_θ и ∆τ_дн - изменение полуденной высоты Солнца (градус) и продолжительности дня (ч) между последним и первым числом месяца.

В тех случаях, когда имеются сведения об испарении по испарительному бассейну площадью 20 м, расположенному вблизи изучаемого водоема, А.Р. Константинов рекомендует выполнять расчет испарения с водоемов площадью до 40 км по формуле:

E=k_нk_защβE₂₀

где k_н - коэффициент, характеризующий влияние глубины водоема на испарение; он изменяется от 1 до 0,92 и определяется по специально составленной таблице в зависимости от глубины водоема и зоны, в которой он находится; k_защ - коэффициент, характеризующий защищенность водоема от ветра берегами, лесом, строениями и другими препятствиями; он изменяется от 0,96 до 0,51 и находится в зависимости от отношения средней высоты препятствий к средней длине разгона воздушного потока; Р - коэффициент, характеризующий влияние площади водоема £1 на испарение; определяется для тундровой, лесной и лесостепной зон по специальной таблице, а для остальных зон принимается равным единице; Е₂₀ - слой испарившейся воды в испарительном бассейне.