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中國水面蒸發(fā)器的發(fā)展簡史與相關技術問題探討

2011-04-14 03:20王積強劉巽民
水利技術監(jiān)督 2011年3期
關鍵詞:蒸發(fā)量溢流蒸發(fā)器

王積強 陸 旭 劉巽民

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

水面蒸發(fā)是關于環(huán)境的一項指標,其一定要能代表當地的小氣候環(huán)境,包括空氣和土壤,所以水面蒸發(fā)器產品一定要用導熱良好、具有固定顏色(如白色或灰色)的材料來制造。所謂可比性,就是站網上使用的水面蒸發(fā)儀器都要一樣,這樣才能突出對環(huán)境監(jiān)測的差異性。此外,水面蒸發(fā)器的器內水質要無雜物,無綠苔,含鹽要小于3.6g/L,并且要保持器內水深一致,最好采用具有放大功能的蒸發(fā)測量傳感器或專用計量裝置。

一般而言,水面蒸發(fā)器的組成結構、部件要越簡單越好。對E601型水面蒸發(fā)器來說,技術上是否應考慮廢棄測針、去掉水圈和土臺,改善溢流系統(tǒng),增加底側翼和定壓安全閥,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)辦法,來穩(wěn)定蒸發(fā)器的器內水深,從而準確觀測實際的蒸發(fā)量。

1 中國水面蒸發(fā)器發(fā)展簡歷

20世紀20年代,國內曾經用Ф 800~1000mm直徑的套盆式水面蒸發(fā)器來觀測蒸發(fā),其只測同心內盆的水面蒸發(fā),而內外盆之間有一個10cm寬的水圈。1949年后,我國引進前蘇聯(lián) Г Г И-3000型,為防止中央測桿上下位移和搖擺,蒸發(fā)器做成錐形底,錐高8.7cm,測桿有多個水平支撐,蒸發(fā)桶口緣高出土面和水面7.5cm,用集水杯和量管觀測水面蒸發(fā)量,因無溢流系統(tǒng),暴雨時水漫出口緣而缺測。1960年中國水利部水文局,組織研究了在 Г Г И-3000型基礎上,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具 (集水杯和量管),換上了水位測針 (為一種縮小功能測具),從而形成了之后比較經典的 “E601型水面蒸發(fā)器”。

1973年,世界氣象組織儀器和觀測方法委員會第六屆會議通過了美國A級 (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)為站網標準蒸發(fā)器。

而我國在1973年的杭州會議上,研究交流并討論了E601使用13年的經驗,提出因測針觀測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上,由此確定為 “改進后的E601型水面蒸發(fā)器”,于1979年開始向全國推廣;在這次會議上,有關專家還專題討論了玻璃鋼E601蒸發(fā)器的代表性問題,終因隔熱問題被會議否定[1,2]。

1982年在新疆阿克蘇試驗站,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器的器內水深對蒸發(fā)量影響很大,當時用Ф 20cm×20cm蒸發(fā)器進行試驗測定,就發(fā)現(xiàn):在一般情況下,當水深偏大5cm時,蒸發(fā)就會偏大10%,而用隔熱蒸發(fā)器 (玻璃鋼質)則可增加到20%,并且主要發(fā)生在晚上;而在暴雨情況時,水深大時濺出水多,實得雨量偏小,誤認為是蒸發(fā);水深小時濺出水少,實得雨量偏大,常算出 “負蒸發(fā)”,這就是所謂的 “濺水誤差”。E601型內 (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。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具。用隔熱蒸發(fā)器做水草增溫值試驗時,白天有一個正增溫過程 (因太陽輻射和水草導熱不良),晚上有一個負增溫過程 (因水草導熱不良);但用鐵質E601K做水草增溫試驗時,發(fā)現(xiàn)白天的正增溫較小且歷時長,晚上的負增溫卻不存在了,這說明鐵質E601K器內外熱量交換很多,可代表土壤環(huán)境。而做不同含鹽量的試驗發(fā)現(xiàn),當含鹽小于3.6g/L時,對蒸發(fā)量基本沒有影響,但綠苔影響卻是很大。

1983年我們對水面蒸發(fā)器做了一次比較成功的科學實驗,發(fā)現(xiàn)器內鐵支架會增加水面蒸發(fā)量;因此同年我們就設計了一種新的E601K型水面蒸發(fā)器,其與原E601型相比較,去掉了測針 (用體積法觀測)和器內鐵支架、溢流桶,還去掉了水圈和土臺,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)會議上公開該E601K的設計;會議上又重點探討了水面蒸發(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,即水下設定了定壓安全閥,可自動排出冰下超壓水,以保持冰面平整[3]。

2007年在阿克蘇站,試驗成功底側翼可穩(wěn)定口緣水平的試驗,初步完善了E601K型站網用 “標準蒸發(fā)器的組成”[4]。2010年設計自動供排水水面蒸發(fā)器,對穩(wěn)定水深達到極高標準,目前正在計劃制做新樣機。

2 蒸發(fā)器性能 (代表性與可比性)試驗

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

但可比性比較復雜,如果影響水面蒸發(fā)量的因素有a、b、c、d、e五種,站網上多個蒸發(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,可比性就差,需做d(水深)修正,才能顯露出環(huán)境 (e)的特點;若a、b、c、d、e都不同,則可比性很差或無可比性。這種儀器就應盡早淘汰,其觀測數據就沒有什么參考價值。

蒸發(fā)量是一個環(huán)境指標,這個環(huán)境包括空氣環(huán)境和土壤環(huán)境,如空氣溫度、濕度、風速、水汽壓,土壤溫度、濕度、植被等,但儀器本身對蒸發(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)桶顏色和導熱率、加排水管路是否堵、電器元件是否過關等。如1988年在南京審查 《E601型系列水面蒸發(fā)器》國家標準時,就有很多專家提出蒸發(fā)器的溢流桶不好用,有位專家深有體會的講:“下暴雨時很緊張,披著雨衣,提著水桶跑到觀測場,從蒸發(fā)筒內提出一桶水又跑回觀測室,生怕水從蒸發(fā)桶漫出而缺測,”很多測站干脆就都不裝溢流桶。此外,暴雨時蒸發(fā)桶與周圍土壤摩擦力很小,很容易發(fā)生口緣歪斜,水尺零點改變,資料不連續(xù),測針不同方位讀數不同,可差幾個毫米,同時雨時觀測讀數 (針尖)延長了1~2mm;而當測針座有泥沙后,零點也就發(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,另外土臺的高度不同,材料不同,有的還人工種上幾棵草,三個水圈內水位不同與蒸發(fā)桶內水位也不同,這些都改變了蒸發(fā)熱環(huán)境并會發(fā)生濺水差異,資料可比性很差。1993年之后,有關技術人員發(fā)明了一個技術專利[7],與筆者的很多想法[6]不謀而合,即去掉了蒸發(fā)器的測針、水圈、土臺和溢流桶部分,恢復到 Г ГИ-3000型原貌,只是口緣偏高一點。

2005年水利部水文局組織對 《E601型系列水面蒸發(fā)器》國家標準進行了修訂工作,其成果也基本體現(xiàn)在GB21327-2007[8]的圖2中,而測量蒸發(fā)的主要傳感器 (蒸發(fā)筒)就與原設計的E601k型很相近了。

3 現(xiàn)行國家標準(GB21327-2007)的改進意見或建議

現(xiàn)行國家標準[5,8]與1960年的E601型比較,只是去掉了器內鐵支架,其他 (水圈、溢流桶、測針等)完全一樣,經過50年的大量實驗,現(xiàn)初步提出8項改進意見和建議。

(1)廢棄測針。因為測針允許水深變化 (70或100mm),降低了可比性,必須廢棄,用體積法觀測。

(2)改進溢流系統(tǒng)。現(xiàn)在的溢流管口沒有靜水器保護,排水很不穩(wěn)定,風吹波浪經常間歇性排水,大雨時又來不及排水,一片樹葉可堵住排水管口造成缺測。應該去掉溢流桶,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,排水不受器內風浪影響。溢流小桶用一個大桶保護,地面積水灌不到活動小桶內,水賬才算得清。

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

(4)去掉土臺。土臺是因為測針觀測不方便而誕生,若測針已廢棄,土臺就沒有存在的理由。

(5)用底側翼穩(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,冰下水壓可達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,經定壓安全閥,把冰下超壓水及時排入活動量桶,確保冰面平整。

(8)蒸發(fā)桶的材料要求導熱良好且不變顏色。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;若仍用測針觀測,又大大降低可比性。現(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,但材料的性質 (如導熱率)是可保護的。

結 語

本文簡述了中國水面蒸發(fā)器的發(fā)展簡歷和存在的問題,中國Ф 800~1000套盆蒸發(fā)器有10cm寬水圈,Г Г И-3000型無溢流設備,E601型內外濺水不平衡的原因是10cm寬水圈內水面與蒸發(fā)桶內水面不一樣高,E601B型因導熱不良水深對蒸發(fā)量的影響增大1~2倍,可比性比鐵質E601型差,與周圍土壤熱交換少,代表性也差。

因此,對現(xiàn)行國標[5,8],提出8項改進:廢棄測針、改進溢流系統(tǒng)、去掉水圈、去掉土臺、用底側翼穩(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排出冰下超壓水,保持冰面平整,用導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,因為水面蒸發(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)境的微小變化都會對水面溫度有影響,水面溫度直接對水面蒸發(fā)產生影響,水面溫度的變化還與水體大小有關,水體大的,熱容量大,升溫慢,降溫也慢,引用蒸發(fā)量時必須注明水體大小,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,只有相關關系,關系的穩(wěn)定與各自的性能有關,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。天然水體非常復雜,沒有一種儀器可以代替,但某個水體與儀器存在相關關系,關系的穩(wěn)定也與該儀器性能有關,與大小無關,按水面蒸發(fā)器改進的方向[9]改進的儀器[10~14],相關關系就穩(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,經過兩種換算 (口徑換算和環(huán)境換算)用逐步逼近法測算湖面蒸發(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)工作組在日內瓦會議上做出決定,認為以20m2蒸發(fā)池研究淺水湖泊蒸發(fā),可以得出滿意的結果,會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)內湖泊蒸發(fā)。前蘇聯(lián)已在20世紀50年代就繪出20m2與 Г Г И-3000型蒸發(fā)比值的等值線圖, 中國也應該與蘇接軌,并用改進后的新儀器[11,13],測出較穩(wěn)定的時空變化等值線圖,供水文氣象部門使用。

總之,希望用我們自己的理性勞動,研制代表性與可比性都比較好的水面蒸發(fā)器在站網上使用,不斷改進,不斷取代落后的儀器,測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)展做出基礎性服務。

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

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

[3]王積強.中國北方地區(qū)若干蒸發(fā)實驗研究[M].北京;科學出版社,1990:1-53,107-108

[4]王積強.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].南京水利水文自動化研究所,GB11829—89

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

[7]申德裕等.自動補水式水面蒸發(fā)量傳感裝置[P].水利部南京水利水文自動化研究所: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量監(jiān)督檢驗測試中心,南京水利水文自動化研究所:GB21327—2007

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

[10]王積強.代表性與可比性是蒸發(fā)測站建設的兩個關鍵問題 [J].干旱區(qū)水文水資源,1992,(1):9-13

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

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

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

[14]王積強.自動供排水蒸發(fā)皿[P].中國科學院新疆生地所:ZL200820103798.2

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