中國(guó)水面蒸發(fā)器的發(fā)展簡(jiǎn)史與相關(guān)技術(shù)問題探討

王積強(qiáng) 陸 旭 劉巽民

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆生地所,烏魯木齊 830011;2.水利部水文儀器及巖土儀器質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心,南京 210012;3.南京水利水文自動(dòng)化研究所,南京 210012)

水面蒸發(fā)是關(guān)于環(huán)境的一項(xiàng)指標(biāo),其一定要能代表當(dāng)?shù)氐男夂颦h(huán)境,包括空氣和土壤,所以水面蒸發(fā)器產(chǎn)品一定要用導(dǎo)熱良好、具有固定顏色(如白色或灰色)的材料來制造。所謂可比性,就是站網(wǎng)上使用的水面蒸發(fā)儀器都要一樣,這樣才能突出對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的差異性。此外,水面蒸發(fā)器的器內(nèi)水質(zhì)要無雜物,無綠苔,含鹽要小于3.6g/L,并且要保持器內(nèi)水深一致,最好采用具有放大功能的蒸發(fā)測(cè)量傳感器或?qū)Ｓ糜?jì)量裝置。

一般而言,水面蒸發(fā)器的組成結(jié)構(gòu)、部件要越簡(jiǎn)單越好。對(duì)E601型水面蒸發(fā)器來說,技術(shù)上是否應(yīng)考慮廢棄測(cè)針、去掉水圈和土臺(tái),改善溢流系統(tǒng),增加底側(cè)翼和定壓安全閥,并且將蒸發(fā)桶口緣高出水面和土面7.5cm,最好用加排水 (人工或半自動(dòng))辦法,來穩(wěn)定蒸發(fā)器的器內(nèi)水深,從而準(zhǔn)確觀測(cè)實(shí)際的蒸發(fā)量。

1 中國(guó)水面蒸發(fā)器發(fā)展簡(jiǎn)歷

20世紀(jì)20年代,國(guó)內(nèi)曾經(jīng)用Ф 800～1000mm直徑的套盆式水面蒸發(fā)器來觀測(cè)蒸發(fā),其只測(cè)同心內(nèi)盆的水面蒸發(fā),而內(nèi)外盆之間有一個(gè)10cm寬的水圈。1949年后,我國(guó)引進(jìn)前蘇聯(lián) Г Г И-3000型,為防止中央測(cè)桿上下位移和搖擺,蒸發(fā)器做成錐形底,錐高8.7cm,測(cè)桿有多個(gè)水平支撐,蒸發(fā)桶口緣高出土面和水面7.5cm,用集水杯和量管觀測(cè)水面蒸發(fā)量,因無溢流系統(tǒng),暴雨時(shí)水漫出口緣而缺測(cè)。1960年中國(guó)水利部水文局,組織研究了在 Г Г И-3000型基礎(chǔ)上,加了溢流桶 (上管口在口緣下6.0cm)和10cm寬水圈 (Ф 800～1000套盆特有),去掉具有放大功能的測(cè)具 (集水杯和量管),換上了水位測(cè)針 (為一種縮小功能測(cè)具),從而形成了之后比較經(jīng)典的 “E601型水面蒸發(fā)器”。

1973年,世界氣象組織儀器和觀測(cè)方法委員會(huì)第六屆會(huì)議通過了美國(guó)A級(jí) (Ф 1200×250蒸發(fā)器,平均水深20cm,放在10cm高木架上)和Г Г И-3000型 (Ф 618×600,口緣高出土面和水面7.5cm)為站網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器。

而我國(guó)在1973年的杭州會(huì)議上,研究交流并討論了E601使用13年的經(jīng)驗(yàn),提出因測(cè)針觀測(cè)不方便和誤差較大而需要抬高口緣的問題;又提出因蒸發(fā)桶內(nèi)外濺水不平衡的問題,而需要加寬水圈,將蒸發(fā)桶和水圈都放在土臺(tái)上,由此確定為 “改進(jìn)后的E601型水面蒸發(fā)器”,于1979年開始向全國(guó)推廣;在這次會(huì)議上,有關(guān)專家還專題討論了玻璃鋼E601蒸發(fā)器的代表性問題,終因隔熱問題被會(huì)議否定[1,2]。

1982年在新疆阿克蘇試驗(yàn)站,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器的器內(nèi)水深對(duì)蒸發(fā)量影響很大,當(dāng)時(shí)用Ф 20cm×20cm蒸發(fā)器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定,就發(fā)現(xiàn):在一般情況下,當(dāng)水深偏大5cm時(shí),蒸發(fā)就會(huì)偏大10%,而用隔熱蒸發(fā)器 (玻璃鋼質(zhì))則可增加到20%,并且主要發(fā)生在晚上;而在暴雨情況時(shí),水深大時(shí)濺出水多,實(shí)得雨量偏小,誤認(rèn)為是蒸發(fā);水深小時(shí)濺出水少,實(shí)得雨量偏大,常算出 “負(fù)蒸發(fā)”,這就是所謂的 “濺水誤差”。E601型內(nèi) (蒸發(fā)桶)外 (水圈)濺水不平衡的原因是濺水面的高度 (水位)不同,與水圈寬度無關(guān)。為增加蒸發(fā)資料可比性,穩(wěn)定水深是第一位的,必須廢棄需要水深變化的測(cè)具。用隔熱蒸發(fā)器做水草增溫值試驗(yàn)時(shí),白天有一個(gè)正增溫過程 (因太陽輻射和水草導(dǎo)熱不良),晚上有一個(gè)負(fù)增溫過程 (因水草導(dǎo)熱不良);但用鐵質(zhì)E601K做水草增溫試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)白天的正增溫較小且歷時(shí)長(zhǎng),晚上的負(fù)增溫卻不存在了,這說明鐵質(zhì)E601K器內(nèi)外熱量交換很多,可代表土壤環(huán)境。而做不同含鹽量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)含鹽小于3.6g/L時(shí),對(duì)蒸發(fā)量基本沒有影響,但綠苔影響卻是很大。

1983年我們對(duì)水面蒸發(fā)器做了一次比較成功的科學(xué)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)器內(nèi)鐵支架會(huì)增加水面蒸發(fā)量;因此同年我們就設(shè)計(jì)了一種新的E601K型水面蒸發(fā)器,其與原E601型相比較,去掉了測(cè)針 (用體積法觀測(cè))和器內(nèi)鐵支架、溢流桶,還去掉了水圈和土臺(tái),蒸發(fā)桶口緣高出土面和水面7.5cm,完善了溢流系統(tǒng),用帶靜水器的垂直溢流管,排出多余的加水和降水,并在1985年的西安水面蒸發(fā)會(huì)議上公開該E601K的設(shè)計(jì);會(huì)議上又重點(diǎn)探討了水面蒸發(fā)器的安全過冬問題,通過我們1985～1986年的精心研制,該問題也獲得圓滿解決,即水下設(shè)定了定壓安全閥,可自動(dòng)排出冰下超壓水,以保持冰面平整[3]。

2007年在阿克蘇站,試驗(yàn)成功底側(cè)翼可穩(wěn)定口緣水平的試驗(yàn),初步完善了E601K型站網(wǎng)用 “標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器的組成”[4]。2010年設(shè)計(jì)自動(dòng)供排水水面蒸發(fā)器,對(duì)穩(wěn)定水深達(dá)到極高標(biāo)準(zhǔn),目前正在計(jì)劃制做新樣機(jī)。

2 蒸發(fā)器性能 (代表性與可比性)試驗(yàn)

自然界中的水,無論它的水溫、含鹽量怎樣,只要蒸發(fā)器中的水與測(cè)定水體相近,水中和水面上沒有雜質(zhì),蒸發(fā)器的器壁導(dǎo)熱良好,就可認(rèn)定為代表周圍小氣候[10]。

但可比性比較復(fù)雜,如果影響水面蒸發(fā)量的因素有a、b、c、d、e五種,站網(wǎng)上多個(gè)蒸發(fā)器,前四種都一樣,只有e(環(huán)境)不同,則蒸發(fā)量隨e而不同,可比性很好;若d(水深)和e都不同,則蒸發(fā)量是水深和環(huán)境的函數(shù),可比性就差,需做d(水深)修正,才能顯露出環(huán)境 (e)的特點(diǎn);若a、b、c、d、e都不同,則可比性很差或無可比性。這種儀器就應(yīng)盡早淘汰,其觀測(cè)數(shù)據(jù)就沒有什么參考價(jià)值。

蒸發(fā)量是一個(gè)環(huán)境指標(biāo),這個(gè)環(huán)境包括空氣環(huán)境和土壤環(huán)境,如空氣溫度、濕度、風(fēng)速、水汽壓,土壤溫度、濕度、植被等,但儀器本身對(duì)蒸發(fā)也有直接影響,如水體大小、水深、口沿離水面和土面的高度、蒸發(fā)桶顏色和導(dǎo)熱率、加排水管路是否堵、電器元件是否過關(guān)等。如1988年在南京審查 《E601型系列水面蒸發(fā)器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí),就有很多專家提出蒸發(fā)器的溢流桶不好用,有位專家深有體會(huì)的講:“下暴雨時(shí)很緊張,披著雨衣,提著水桶跑到觀測(cè)場(chǎng),從蒸發(fā)筒內(nèi)提出一桶水又跑回觀測(cè)室,生怕水從蒸發(fā)桶漫出而缺測(cè),”很多測(cè)站干脆就都不裝溢流桶。此外,暴雨時(shí)蒸發(fā)桶與周圍土壤摩擦力很小,很容易發(fā)生口緣歪斜,水尺零點(diǎn)改變,資料不連續(xù),測(cè)針不同方位讀數(shù)不同,可差幾個(gè)毫米,同時(shí)雨時(shí)觀測(cè)讀數(shù) (針尖)延長(zhǎng)了1～2mm;而當(dāng)測(cè)針座有泥沙后,零點(diǎn)也就發(fā)生改變了;有的蒸發(fā)器安裝后的口緣離地面高度相差很大,可從7cm到30cm,另外土臺(tái)的高度不同,材料不同,有的還人工種上幾棵草,三個(gè)水圈內(nèi)水位不同與蒸發(fā)桶內(nèi)水位也不同,這些都改變了蒸發(fā)熱環(huán)境并會(huì)發(fā)生濺水差異,資料可比性很差。1993年之后,有關(guān)技術(shù)人員發(fā)明了一個(gè)技術(shù)專利[7],與筆者的很多想法[6]不謀而合,即去掉了蒸發(fā)器的測(cè)針、水圈、土臺(tái)和溢流桶部分,恢復(fù)到 Г ГИ-3000型原貌,只是口緣偏高一點(diǎn)。

2005年水利部水文局組織對(duì) 《E601型系列水面蒸發(fā)器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂工作,其成果也基本體現(xiàn)在GB21327-2007[8]的圖2中,而測(cè)量蒸發(fā)的主要傳感器 (蒸發(fā)筒)就與原設(shè)計(jì)的E601k型很相近了。

3 現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB21327-2007)的改進(jìn)意見或建議

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5,8]與1960年的E601型比較,只是去掉了器內(nèi)鐵支架,其他 (水圈、溢流桶、測(cè)針等)完全一樣,經(jīng)過50年的大量實(shí)驗(yàn),現(xiàn)初步提出8項(xiàng)改進(jìn)意見和建議。

(1)廢棄測(cè)針。因?yàn)闇y(cè)針允許水深變化 (70或100mm),降低了可比性,必須廢棄,用體積法觀測(cè)。

(2)改進(jìn)溢流系統(tǒng)。現(xiàn)在的溢流管口沒有靜水器保護(hù),排水很不穩(wěn)定,風(fēng)吹波浪經(jīng)常間歇性排水,大雨時(shí)又來不及排水,一片樹葉可堵住排水管口造成缺測(cè)。應(yīng)該去掉溢流桶,按 E601K型圖紙,排水管改成垂直的,上口緣距蒸發(fā)筒口緣7.5cm,周圍有凈水器保護(hù),排水不受器內(nèi)風(fēng)浪影響。溢流小桶用一個(gè)大桶保護(hù),地面積水灌不到活動(dòng)小桶內(nèi),水賬才算得清。

(3)去掉水圈。水圈為中國(guó) Ф 800～1000套盆式所特有,世界氣象組織沒有認(rèn)可,三個(gè)水圈內(nèi)水深與蒸發(fā)桶內(nèi)水深各不相同,水溫不同,影響熱平流方向,水位高低也不同,暴雨時(shí)濺水不平衡,應(yīng)該廢掉。

(4)去掉土臺(tái)。土臺(tái)是因?yàn)闇y(cè)針觀測(cè)不方便而誕生,若測(cè)針已廢棄,土臺(tái)就沒有存在的理由。

(5)用底側(cè)翼穩(wěn)定蒸發(fā)筒口緣。蒸發(fā)筒為錐形底,很容易發(fā)生不均勻下沉,使口緣不水平,影響受雨和蒸發(fā)面積,在桶壁下方做一個(gè)10cm寬的水平翼,在翼上土均壓下,蒸發(fā)桶口緣不易歪斜。

(6)蒸發(fā)桶口緣離地面和水面都應(yīng)穩(wěn)定在7.5cm。這是世界氣象組織規(guī)定的,Г Г И-3000型與 20m2(Ф 5m×2m)蒸發(fā)池都這樣。

(7)冬季冰面平整。北方地區(qū)冬季冰厚速增時(shí),冰下水壓可達(dá)40大氣壓,一般焊縫開裂,冰面中心隆起。在蒸發(fā)桶下方引出一管,經(jīng)定壓安全閥,把冰下超壓水及時(shí)排入活動(dòng)量桶,確保冰面平整。

(8)蒸發(fā)桶的材料要求導(dǎo)熱良好且不變顏色。過去的建材以鋼鐵為主,埋入地下且裝水,很容易銹蝕變黑色,蒸發(fā)量偏大,每年都要涂一次油漆,影響資料的連續(xù)性和可比性。用玻璃鋼制作后,與周圍土壤熱交換減小,影響蒸發(fā)資料的代表性;若仍用測(cè)針觀測(cè),又大大降低可比性?，F(xiàn)在建材發(fā)展很快,如鋁塑板可為輕便不變色材料,在定壓安全閥保護(hù)下,蒸發(fā)桶的厚度要求不要太大,完全可取代鋼鐵和玻璃鋼。專利法規(guī)定材料不受保護(hù),但材料的性質(zhì) (如導(dǎo)熱率)是可保護(hù)的。

結(jié) 語

本文簡(jiǎn)述了中國(guó)水面蒸發(fā)器的發(fā)展簡(jiǎn)歷和存在的問題,中國(guó)Ф 800～1000套盆蒸發(fā)器有10cm寬水圈,Г Г И-3000型無溢流設(shè)備,E601型內(nèi)外濺水不平衡的原因是10cm寬水圈內(nèi)水面與蒸發(fā)桶內(nèi)水面不一樣高,E601B型因?qū)岵涣妓顚?duì)蒸發(fā)量的影響增大1～2倍,可比性比鐵質(zhì)E601型差,與周圍土壤熱交換少,代表性也差。

因此,對(duì)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)[5,8],提出8項(xiàng)改進(jìn):廢棄測(cè)針、改進(jìn)溢流系統(tǒng)、去掉水圈、去掉土臺(tái)、用底側(cè)翼穩(wěn)定蒸發(fā)桶口緣,蒸發(fā)桶口緣離地面和水面都是7.5cm,安裝定壓安全閥及時(shí)排出冰下超壓水,保持冰面平整,用導(dǎo)熱良好的材料做蒸發(fā)桶,提高代表性與可比性。

順便說明一點(diǎn),因?yàn)樗嬲舭l(fā)是發(fā)生在水面之上,因此水面的上下左右都稱環(huán)境,環(huán)境的微小變化都會(huì)對(duì)水面溫度有影響,水面溫度直接對(duì)水面蒸發(fā)產(chǎn)生影響,水面溫度的變化還與水體大小有關(guān),水體大的,熱容量大,升溫慢,降溫也慢,引用蒸發(fā)量時(shí)必須注明水體大小,如 Ф 20cm,20m2,Г Г И-3000等,它們的水面溫度相差很大,變化也不一樣,蒸發(fā)量相差很大,只有相關(guān)關(guān)系,關(guān)系的穩(wěn)定與各自的性能有關(guān),如水深是否穩(wěn)定,濺水是否平衡。各自都有自己的代表性與可比性。天然水體非常復(fù)雜,沒有一種儀器可以代替,但某個(gè)水體與儀器存在相關(guān)關(guān)系,關(guān)系的穩(wěn)定也與該儀器性能有關(guān),與大小無關(guān),按水面蒸發(fā)器改進(jìn)的方向[9]改進(jìn)的儀器[10～14],相關(guān)關(guān)系就穩(wěn)定。

天然湖泊蒸發(fā)量就是把E601K型改裝后,埋于湖周邊無高草的灘地與大站上20m2和E601K同步觀測(cè),經(jīng)過兩種換算 (口徑換算和環(huán)境換算)用逐步逼近法測(cè)算湖面蒸發(fā)量[3],這是研制水面蒸發(fā)器的最終目的。1972年9月世界氣象組織蒸發(fā)工作組在日內(nèi)瓦會(huì)議上做出決定,認(rèn)為以20m2蒸發(fā)池研究淺水湖泊蒸發(fā),可以得出滿意的結(jié)果,會(huì)后世界各地在大氣候區(qū)和湖泊帶安裝20m2蒸發(fā)池,以研究區(qū)內(nèi)湖泊蒸發(fā)。前蘇聯(lián)已在20世紀(jì)50年代就繪出20m2與 Г Г И-3000型蒸發(fā)比值的等值線圖, 中國(guó)也應(yīng)該與蘇接軌,并用改進(jìn)后的新儀器[11,13],測(cè)出較穩(wěn)定的時(shí)空變化等值線圖,供水文氣象部門使用。

總之,希望用我們自己的理性勞動(dòng),研制代表性與可比性都比較好的水面蒸發(fā)器在站網(wǎng)上使用,不斷改進(jìn),不斷取代落后的儀器,測(cè)量出真正能夠代表環(huán)境的水面蒸發(fā)量,為水利水文事業(yè)的發(fā)展做出基礎(chǔ)性服務(wù)。

[1]施成熙等.水面蒸發(fā)器的折算系數(shù)研究[J].地理科學(xué),1986,6(4):304-313

[2]姚永熙主編.水文儀器與水利水文自動(dòng)化[M].河海大學(xué)出版社,2001:117-125

[3]王積強(qiáng).中國(guó)北方地區(qū)若干蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究[M].北京;科學(xué)出版社,1990:1-53,107-108

[4]王積強(qiáng).水面蒸發(fā)器的研發(fā)過程與創(chuàng)新 [J].科技創(chuàng)新與品牌,2008年12期:30-31

[5]申德裕等.E601型系列水面蒸發(fā)器[G].南京水利水文自動(dòng)化研究所,GB11829—89

[6]王積強(qiáng).推薦E601型水面蒸發(fā)器的檢測(cè)方法 [J].水利技術(shù)監(jiān)督,2010,18(1):14-15

[7]申德裕等.自動(dòng)補(bǔ)水式水面蒸發(fā)量傳感裝置[P].水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所:ZL94231758.0

[8]申德裕等.水面蒸發(fā)器 [G].水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心,南京水利水文自動(dòng)化研究所:GB21327—2007

[9]王積強(qiáng).玻璃鋼蒸發(fā)器的三個(gè)改造方向[J].新疆氣象,1993,(3):51-52

[10]王積強(qiáng).代表性與可比性是蒸發(fā)測(cè)站建設(shè)的兩個(gè)關(guān)鍵問題 [J].干旱區(qū)水文水資源,1992,(1):9-13

[11]王積強(qiáng).一種水、冰面蒸發(fā)器[P].中國(guó)科學(xué)院新疆生地所:ZL200420008353.8

[12]王積強(qiáng).一種水面蒸發(fā)器[P].中國(guó)科學(xué)院新疆生地所:ZL200720129453.x

[13]王積強(qiáng).蒸發(fā)池的水面指示器[P].中國(guó)科學(xué)院新疆生地所:ZL200820103432.5

[14]王積強(qiáng).自動(dòng)供排水蒸發(fā)皿[P].中國(guó)科學(xué)院新疆生地所:ZL200820103798.2