,2.3 蒸发和散发,第一节 基本概念,1 定义 蒸发: 温度低于水的沸点时，水汽从水面、冰面或其他含水物质表面逸出的过程。中国大百科全书 蒸发是水由流体状态转变为气态的过程。,3,具有水分子的物体表面，称为蒸发面。 蒸发面是水面的，称为水面蒸发。 蒸发面是裸露土壤表面的，称为土壤蒸发。 蒸发面是植物茎叶的，称为植物散发。 对于流域表面而言，称流域总蒸发。,2 土壤水分的作用力,分子力：土壤颗粒表面的分子和离子对水分的吸力。 毛管力：在未充满水的毛管孔隙中，由于存在液体弯月面的表面张力而形成。 重力：,表面张力：是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。表面张力(surface tension)是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。,毛管力：指毛管壁与水分子间的吸持力与水的表面张力的共同作用 土壤颗粒间细小的连通孔隙可视为毛管。毛管中水气界面为一弯月面，弯月面下的液态水因表面张力作用而承受吸持力，该力又称毛管力。土壤中薄膜水达最大值后，多余的水分便由毛管力吸持在土壤的细小孔隙中，称为毛管水。,毛管作用：当含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入，在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。在浸润情况下，缝隙越细，液体上升越高。 就是指液体在细管状物体的内侧因为内聚力以及附着力的差异，克服地心引力而向上升。,毛管水：土壤毛管孔隙中靠毛管力(弯月面力)作用保持和移动的液态水。 按水的来源毛管水可分为悬着毛管水和支持毛管水(上升毛管水)两个基本类型。靠降水和灌溉水下渗到土壤中而存在于毛管孔隙内的水分称为悬着毛管水，与地下水层联系。靠地下水沿毛管上升到土壤中所保持的水分称为支持毛管水，与地下水紧密相接。毛管水是土壤中移动较快而又易被植物吸收和利用的水分，养分在土壤中的迁移和转化，与毛管水密切相关 。,3 土壤水存在形式 土壤水-结合水：吸湿水 薄膜水 -自由水：毛管水 重力水,吸湿水：土壤颗粒表面分子引力及土壤胶体颗粒负电荷的吸引力所吸附空气中的水分，主要决定于空气相对湿度和土壤质地，不能移动，无溶解能力，植物不能利用，无效水 薄膜水：吸湿水外，土壤颗粒剩余分子力所吸持的水膜，受土壤质地、腐殖质含量影响。能被植物根系吸收，但数量少，不能及时补给植物需求，弱有效水,毛管水：毛管力所保持的水分 重力水：重力作用下能自由运动的水分,田间持水量：土壤中毛管悬着水达到最大时的土壤含水量称为田间持水量，它是不受地下水影响条件下土壤在田间或自然状况时所能保持水分的最高数量，也就是说，降雨或灌溉水进入土壤后，若超过田间持水量，则超过部分将不能为土壤保持而以自由重力水形式向下渗透。因此，田间持水量是将土壤水划分为土壤含水量和向下渗漏水分的“门槛”。 凋萎系数：其值相当于植物无法从土壤中吸收水而开始凋萎枯死时的土壤含水量,12,4 影响蒸发量大小的三个条件 （1）供水条件蒸发面上储存的水分多少； （2）能量供给条件蒸发面上水分子获得能量的多少； （3）动力条件蒸发面上空水汽输送的速度；,要理解记住噢！,13,5 蒸发量（蒸发率） 单位时间、单位面积从水面液态转化为气态的水量减去由气态转化为液态的水量。,14,6 蒸发能力 蒸发能力是指蒸发面在特定的气象条件下充分供水时的蒸发率。即对同一蒸发面而言，在相同气象条件下可能达到的最大蒸发量。又称为最大蒸发量或潜在蒸发量。,要理解！,15,7 蒸发潜热L（J/g） 单位质量的水从液态转变为气态所吸收的热量。,蒸发潜热,8,第二节 水面蒸发,在水的表层，动能较大的分子，有可能克服周围水分子对它的吸引而逸出水面，成为水汽分子，进入液面上方的空间。 接近水面的水汽分子，也有可能受水面水分子的吸引或相互碰撞，运动方向不断改变，部分分子进入水中成为液体水分子。 以上两个过程是同时进行的。,18,一、基本概念,1 水汽压（e）：大气中水汽所具有的压力 2 饱和水汽含量：在一定温度下，空气中所容纳的水汽含量的最大值 （es：饱和水汽压）,设ns为单位时间内逸出水面的分子数，n为单位时间内落回水中的水汽分子数。,19,3 绝对湿度（m） 单位体积空气中实际所含水汽质量（g/m3） 4 相对湿度（r） 同温度下空气中实际所含水汽量与饱和时水汽两的比值。r = （m/es）100,r 100 未饱和 出现蒸发 r = 100 饱和 r 100 过饱和 凝结降水,20,21,5 饱和差（d） 同一温度下饱和水汽压和空气中实际水汽压的差，表示空气中实际水汽距离饱和的程度，其大小可指示水分子的蒸发能力。 d0 未饱和 出现蒸发 d=0 饱 和 水和水汽动态平衡 d0 过饱和 凝结降水,理解,随着温度的升高，饱和水汽压基本按指数规律增大。由此可以可知：空气温度的变化，对蒸发和凝结有重要的影响。,了解！,露点：空气中水汽达到饱和时的气温。,23,二、影响水面蒸发的因素,（一）气象因素：太阳辐射、温度、湿度、风、气压、降水等 1）水温：水温越高，越有利于蒸发。主要受太阳辐射强度的控制，水面所接受的太阳辐射基本用于蒸发。 2）气温：通过影响饱和差而影响蒸发。,道尔顿定律：蒸发率与饱和差和分子扩散系数成正比，与气压呈反比。,了解！,24,3）湿度：影响饱和差 4）降水：增加空气湿度，干扰水分子逸出、破坏水面结构，从而降低蒸发量。 5）风：一般情况下，可移走水面上的水分而 降低水汽压，从而增加蒸发量。但冷空气有 可能减少蒸发量。 6）水面面积,25,（二）自然地理因素： 1 水质：溶质存在，降低溶液的蒸汽 压，减少蒸发。 2 颜色：不同的颜色对太阳能的吸收有差异，一般会降低反射率，增加吸热量，增大蒸发量。,26,3 水深 浅水受当时气温影响显著，气温高，蒸发量大，气温低则蒸发量小； 深水由于上下水层的温度差异产生对流，调节水温，与浅水相比，气温高时蒸发量相对较小，气温低时较大。,27,三、水面蒸发量的观测与估算 1 通过成因分析法，建立理论公式； 2 根据典型资料建立地区经验公式； 3 直接测定,28,（一）理论公式 1 热量平衡法,29,2 空气动力学法,30,3 彭曼综合法（1948）,Penman公式易于计算机使用。实际应用中，常有模板和表格供使用。,31,4 水量平衡法,32,（二）经验公式法 经验公式：通过实际资料的校验，准确性较高，参数容易获得，应用较广。 经验公式 f(u)风速的函数，因条件而异，如,一般形式：,33,我国水文计算规范推荐的公式为： E - 大水体的蒸发率，mm/d - 分别为水面上方1.5m处的实际水汽压和水面上的饱和水汽压，hPa - 水面上方1.5m处的风速，m/s；A、B - 系数，我国东北、华北、华中、华东、华南地区分别为0.22和0.32；内蒙、新疆、西藏、青海地区分别为0.30和0.27。 -水面温度 。,34,（三） 水面蒸发量的测定 1 器测法,35,20m2水面蒸发池,37,关于蒸发器折算系数 由于蒸发器受体积和水面面积的影响，其受热条件与大面积水面有显著差异。因此，蒸发器所观测的数据不能直接用作大水体的水面蒸发值。 总体规律是：蒸发器面积（直径）越大，所观测数据越接近于天然大面积水体。据研究，当蒸发池的直径大于3.5m时，其蒸发量与天然大水体接近。,可用20m2或100m2的蒸发池的蒸发量E池与蒸发器的蒸发量E器的比值作为折算系数： = E池/ E器,38,折算系数与蒸发器的类型、自然环境、季节等因素有关。可以得出以下结论： 实际蒸发值与用蒸发器观测到的蒸发值也没有固定关系。要根据当地的实际资料分析确定。,39,同一类型蒸发器的折算系数在不同时期的变化规律可以用 =f(d)曲线表示。d为饱和差，它综合地反映自然地理环境和季节情况。对每一个蒸发器作出 =f(d)曲线，当已知饱和差d时，即可以得到折算系数 ，再换算成水面蒸发量。,Doctrine of hydrology,40,习题,根据某流域附近的水面蒸发实验资料，分析的E601型蒸发器1-12月份的折算系数K依次为0.98、0.96、0.89、0.88、0.89、0.93、0.95、0.97、1.03、1.03、1.06、1.02。本流域应用E601蒸发器测得8月30-31日和9月1-3日的水面蒸发量依次为5.2mm、6.0mm、6.2mm、5.8mm、5.6mm，试计算某水库这些天的逐日水面蒸发量。,一、土壤蒸发机制 土壤蒸发不仅与蒸发面性质有关，而且与供水条件有关。土壤水蒸发过程中，不仅要克服液体水分子之间的内聚力，而且要克服土壤颗粒对水分子的吸附力。,第三节 土壤蒸发,二、土壤蒸发的过程 在供水不足的条件下，土壤蒸发实际上是土壤失去水分干化的过程。分为如下三阶段： 1.定常蒸发率阶段 2.蒸发率下降阶段 3.蒸发率微弱阶段,1 定常蒸发阶段 土壤初始含水量基本饱和情况下，土壤蒸发开始阶段，供水充足，蒸发率接近蒸发能力（以水面蒸发率蒸发）。蒸发强度的大小主要取决于气象条件。,Wd,Wt,毛管水运动,2 蒸发率下降阶段 随着蒸发不断进行，土壤含水量降低，当小于田间持水量后，土壤的毛管连续性逐渐被破坏，供水能力逐渐减弱，土壤蒸发率随土壤含水量的减小而减小；蒸发量的大小主要决定于土壤含水量。,薄膜水运动,3 蒸发率微弱阶段 当土壤含水量降低到断裂含水量以下，土壤水的运动基本停止，向土壤表层供水中断，土壤蒸发只是靠土壤水的气化并向外扩散。 实际土壤蒸发过程要复杂得多：受气候、土壤特征、地下水位等因素的控制。,液态水运动停止,三、影响土壤蒸发的因素 1 气象因素：日照、温度、湿度、风等 2 土壤特性（土壤的孔隙性、与地下水位的关系、 温度梯度等）,1 土壤特性,1）土壤含水量 土壤含水量大于田间持水量：基本等于蒸发能力。随着土壤含水量的降低，土壤蒸发量大致线性下降。临界土壤含水量：土壤蒸发量接近于蒸发能力（即VE接近1）时的土壤含水量。 2）土壤类型,3）土壤孔隙性的影响（孔隙的形状、大小和数量） 孔隙太大，土壤水的毛细上升高度小，不利于向土壤表面供水，在地下水有一定埋深的情况下，蒸发量不大。一般认为，土壤孔隙直径在0.1-0.001之间，毛管现象明显，供水充分，有利于蒸发。 当孔隙太小或团粒结构情况下，土壤水分多为结合水，毛管狭窄，水分运移阻力大，不利于蒸发。,4）地下水位的影响 地下水位对土壤蒸发量的影响，主要通过地下水位的高低对地下水以上的土层的土壤含水量的分布起作用。当土壤表面处于支持毛细带以内时（毛管水活动带），地下水可不断向地表供水，蒸发量较大。 5）土壤中温度梯度的影响 一般由温度高处向温度低处运移。从而影响土壤蒸发量的大小。,50,（二）土壤蒸发量的测定,1）器测法,Doctrine of hydrology,51,器测法观测土壤蒸发量存在的问题： 1. 由于被测试土壤本身的热力条件与天然不同，所测结果与实际可能有较大差异； 2. 器测法所测结果只是一个点的土壤蒸发量，观测结果只能在特定的条件下应用或作为参考； 3. 在面积较大的情况下，下垫面情况复杂，很难区分土壤蒸发和植物蒸散； 4. 目前器测法也主要用于机理研究，很少用于解决实际问题。,52,2）大型蒸渗仪,53,蒸渗仪（美国加利福尼亚大学戴维斯分校） 直径：6.70米深：0.96米,称重式蒸渗仪,54,3）中子仪,Doctrine of hy