水面蒸發(fā)器的研發(fā)過程與創(chuàng)新
不詳 ?文中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所研究員 王積強(qiáng) ? 2008年12月01日 ? ?創(chuàng)新成果
王積強(qiáng)在中國科學(xué)院新疆阿克蘇水平衡站工作
世界氣象組織（WMO）的技術(shù)規(guī)范規(guī)定[1][2]，以美國設(shè)置在地面上的A級蒸發(fā)器，蘇聯(lián)埋設(shè)在地下的ΓΓи-3000蒸發(fā)器，作為一般測站觀測水面蒸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，其理由認(rèn)為這兩種儀器使用年代較久，記錄資料較長，建議各國統(tǒng)一采用這兩種儀器，便于在世界范圍內(nèi)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)站上觀測蒸發(fā)的儀器為20m2蒸發(fā)池。1972年9月世界氣象組織蒸發(fā)工作組在日內(nèi)瓦會議作出決定：認(rèn)為以20m2蒸發(fā)池研究淺水湖泊的蒸發(fā)，可得出滿意的結(jié)果。
以上三種蒸發(fā)器都未考慮水深、水中雜物和環(huán)境熱平流對蒸發(fā)（降水）的影響，急需改進(jìn)，針對上述三種情況，本人申請了下述三項(xiàng)專利：一種水面蒸發(fā)器（ZL200720129453.X），一種水、冰面蒸發(fā)器（ZL200420008353.8）、蒸發(fā)池的水面指標(biāo)器（200820103432.5）。
根據(jù)相同的理由，本人對中國氣象站使用多年的Φ20cm×11.5cm的水面蒸發(fā)皿，進(jìn)行了改進(jìn)，申請專利“自動供排水蒸發(fā)皿（200820103798.2）”。根據(jù)相同原理，對稻田蒸發(fā)器也進(jìn)行改進(jìn)，授權(quán)專利“稻田蒸發(fā)滲漏儀（ZL200420036575.0）”。根據(jù)湖泊水面蒸發(fā)的不均勻性，迎風(fēng)向蒸發(fā)偏大，去風(fēng)向偏小，將數(shù)個(gè)水、冰面蒸發(fā)器簡化后安裝在湖周邊灘地，與測站上Φ20cm、20m2和E601同步觀測，測算出折算系數(shù)，申請專利“天然湖泊蒸發(fā)量的測量方法（200610115865.8）”。
因天然湖泊的地下水補(bǔ)給量和湖盆滲漏量無法觀測，但可用并項(xiàng)水量平衡法計(jì)算的折算系數(shù)，與實(shí)測的比較，計(jì)算出地下水補(bǔ)給與湖盆滲漏的差值，內(nèi)插出歷年的湖水水位。實(shí)測折算系數(shù)：布倫托海為0.666，吉力湖0.682，并項(xiàng)水量平衡法的折算系數(shù)：布倫托海為0.465，吉力湖為0.477。
設(shè)福海站Φ20cm年值為1849.4mm，則兩湖地下水補(bǔ)給量與湖盆滲漏量差（R-Q）為地下純水補(bǔ)給量（I）：
布倫托海地下純水補(bǔ)給量（I）：1879.4mm（0.666～0.465）=371.2mm；吉力湖地下純水補(bǔ)給量（I）：1849.4mm(0.682～0.477)=379.1mm
地下純水補(bǔ)給量（I）再乘以湖水面積（F），得到純水補(bǔ)給量體積（W）。
中國的水面蒸發(fā)觀測始于20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)采用Φ80cm套盆，解放后引進(jìn)蘇聯(lián)的ΓΓи-3000型，1960年水文局改進(jìn)為E601，因測針觀測不方便，1973年杭州會議決定抬高口沿（高出地面30cm），加寬水圈，1978年全國推廣；因鐵器生銹后蒸發(fā)偏大，1988年決定用玻璃鋼制作，1992年全國推廣。
通過本人多年研究試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了上述國內(nèi)外正在推廣使用的水面蒸發(fā)器的不足。1982年在中科院新疆阿克蘇水平衡試驗(yàn)站做抑制水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)，原計(jì)劃用E601做，但氣象站只有一個(gè)E601，提出用Φ20×20cm白鐵皮蒸發(fā)皿和氣象臺秤觀測，做了二十多個(gè)蒸發(fā)器。Φ20×20cm蒸發(fā)器都一字排開擺在水泥臺上，水面放16或18醇多的抑制率高，水深大；加醇量小的和對照（不加醇）水深小。據(jù)此做了一組不同水深的水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，日內(nèi)水面溫度觀測多次，蒸發(fā)量早晚觀測一次，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水深大的，熱容量大，晚上水溫偏高，蒸發(fā)偏大；白天水面日曬面積大，水面溫度也偏高，蒸發(fā)偏大；水深小的，晚上水溫偏低，蒸發(fā)偏小。降暴雨時(shí)，水深大的濺出水多，濺入水小，器內(nèi)實(shí)得雨量偏小，計(jì)算蒸發(fā)量便偏大；水深小的，濺出水少，濺入水多，器內(nèi)實(shí)得雨量偏大，計(jì)算蒸發(fā)量偏小，甚至可以算出“負(fù)蒸發(fā)”。
我又改變了實(shí)驗(yàn)的方法，改變后的實(shí)驗(yàn)方案是：20小時(shí)測完蒸發(fā)后，加水至150mm止。水深對蒸發(fā)量的影響，是一個(gè)復(fù)合函數(shù)。白天分兩組：一般情況，不論陰、晴和風(fēng)速大??；前一日陰天，或日照<3.5小時(shí)，或剛換上較冷的水，曲線左移（水深影響減少）。晚上，因受季節(jié)和風(fēng)速大小影響分五組。繪出水深對蒸發(fā)量的影響七條曲線。把1982年6月1～11日的水面蒸發(fā)量都修正到水深150mm時(shí)的蒸發(fā)量，增加資料可比性[3]。
通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：Φ20×20cm都放在一個(gè)水泥臺上，不同水深，水溫不同，與水泥臺和空氣之間熱交換肯定不同，又與新疆兵團(tuán)農(nóng)一師水管處科研人員合作制做隔熱蒸發(fā)器。連夜縫制好10幾個(gè)帶底氈套，全部改為隔熱蒸發(fā)器觀測。我發(fā)現(xiàn)：水溫高的更加高，水溫低的更加低，抑制率增加1-2倍，也就是隔熱蒸發(fā)器的水深對蒸發(fā)量的影響，增加1-2倍[3]。
由此可得出結(jié)論：水面蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，穩(wěn)定水深是增加可比性第一要素，尤其玻璃鋼（隔熱材料）E601，必須廢棄測針，用定時(shí)加水和自動溢流法穩(wěn)定水深。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器的組成
1—標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)桶； 2—靜水器；3—連接管； 4—降雨溢流桶；
5—活動量筒； 6—膠塞；7—連接管；8—定壓安全閥桶；
9—定壓安全閥；10—超壓溢流桶；11—活動量水桶；12—連接管；
用隔熱蒸發(fā)器（Φ20×20cm）做水草（水蓼）蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，增溫值白天為正值，晚上為負(fù)值。但是用鐵制ΓΓи-3000（改進(jìn)型）做水蓼實(shí)驗(yàn)，增溫值白天仍為正值，但晚上的負(fù)增溫沒有了。經(jīng)過反復(fù)觀測研究，發(fā)現(xiàn)器內(nèi)水體與器外土壤發(fā)生熱交換時(shí)，因?yàn)橥砩蠜]有陽光熱源，器內(nèi)外溫度很快達(dá)到平衡。
聯(lián)想E601的水圈，水深不穩(wěn)定，比器內(nèi)水深小，白天增溫快，晚上降溫也快，與器內(nèi)水體溫度不同，必然產(chǎn)生熱平流，對蒸發(fā)產(chǎn)生影響，降低了站際間蒸發(fā)資料的可比性。E601的土臺，各站高度不一，材料不一（有用磚砌，水泥抹面，有的還在土臺上種植了植物），導(dǎo)致導(dǎo)熱率不同。為了穩(wěn)定蒸發(fā)環(huán)境，與國際接軌（口緣高出地面7.5cm），本人認(rèn)為有必要去掉E601的水圈和土臺。
中科院新疆阿克蘇水平衡研究站的20m2（×2m）蒸發(fā)池內(nèi)有12根角鋼支撐，因?yàn)殍F的導(dǎo)熱率是水的100多倍，對蒸發(fā)觀測有一定的影響，為此進(jìn)行了一等比例試驗(yàn)。把1m長鐵絲盤旋于Φ20×20cm蒸發(fā)器中，蒸發(fā)量比對照增加了4%，國家水利部水文局很快接受了這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把E601內(nèi)鐵支架去掉了[4][5][6]。
在1985年西安全國水面蒸發(fā)會議上，本人介紹了所設(shè)計(jì)的水面蒸發(fā)器，得到與會專家的好評；1986年試驗(yàn)成功“用定壓安全閥過冬的試驗(yàn)”；1988年在南京審查E601型系列水面蒸發(fā)器（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)），與會代表對本人的設(shè)計(jì)“水面蒸發(fā)器”給予了支持，在國標(biāo)中增加 了第3條第4款“凡符合本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的新儀器經(jīng)部級鑒定后均納入本系列”；1992年在《水文》雜志第4期公布：于3年內(nèi)全國統(tǒng)一改造水面蒸發(fā)儀器。2007年在中科院新疆阿克蘇水平衡試驗(yàn)站試驗(yàn)完成“底側(cè)翼可穩(wěn)定口沿水平”，本人自2004年起先后申請國家專利17項(xiàng)，目前已授權(quán)11項(xiàng)。在申請專利的基礎(chǔ)上，目前正在申報(bào)十二項(xiàng)國家“水文”標(biāo)準(zhǔn)（GB），水面蒸發(fā)器是其中之一。
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