《科技创新与品牌》杂志社创新成果

水面蒸发器的研发过程与创新

王积强在中国科学院新疆阿克苏水平衡站工作

王积强在中国科学院新疆阿克苏水平衡站工作


        世界气象组织(WMO)的技术规范规定[1][2],以美国设置在地面上的A级蒸发器,苏联埋设在地下的ΓΓи-3000蒸发器,作为一般测站观测水面蒸发的标准仪器,其理由认为这两种仪器使用年代较久,记录资料较长,建议各国统一采用这两种仪器,便于在世界范围内进行比较。实验站上观测蒸发的仪器为20m2蒸发池。1972年9月世界气象组织蒸发工作组在日内瓦会议作出决定:认为以20m2蒸发池研究浅水湖泊的蒸发,可得出满意的结果。
        以上三种蒸发器都未考虑水深、水中杂物和环境热平流对蒸发(降水)的影响,急需改进,针对上述三种情况,本人申请了下述三项专利:一种水面蒸发器(ZL200720129453.X),一种水、冰面蒸发器(ZL200420008353.8)、蒸发池的水面指标器(200820103432.5)。
        根据相同的理由,本人对中国气象站使用多年的Φ20cm×11.5cm的水面蒸发皿,进行了改进,申请专利“自动供排水蒸发皿(200820103798.2)”。根据相同原理,对稻田蒸发器也进行改进,授权专利“稻田蒸发渗漏仪(ZL200420036575.0)”。根据湖泊水面蒸发的不均匀性,迎风向蒸发偏大,去风向偏小,将数个水、冰面蒸发器简化后安装在湖周边滩地,与测站上Φ20cm、20m2和E601同步观测,测算出折算系数,申请专利“天然湖泊蒸发量的测量方法(200610115865.8)”。
        因天然湖泊的地下水补给量和湖盆渗漏量无法观测,但可用并项水量平衡法计算的折算系数,与实测的比较,计算出地下水补给与湖盆渗漏的差值,内插出历年的湖水水位。实测折算系数:布伦托海为0.666,吉力湖0.682,并项水量平衡法的折算系数:布伦托海为0.465,吉力湖为0.477。
        设福海站Φ20cm年值为1849.4mm,则两湖地下水补给量与湖盆渗漏量差(R-Q)为地下纯水补给量(I):
        布伦托海地下纯水补给量(I):1879.4mm(0.666~0.465)=371.2mm;吉力湖地下纯水补给量(I):1849.4mm(0.682~0.477)=379.1mm
        地下纯水补给量(I)再乘以湖水面积(F),得到纯水补给量体积(W)。
        中国的水面蒸发观测始于20世纪20年代,当时采用Φ80cm套盆,解放后引进苏联的ΓΓи-3000型,1960年水文局改进为E601,因测针观测不方便,1973年杭州会议决定抬高口沿(高出地面30cm),加宽水圈,1978年全国推广;因铁器生锈后蒸发偏大,1988年决定用玻璃钢制作,1992年全国推广。
        通过本人多年研究试验,发现了上述国内外正在推广使用的水面蒸发器的不足。1982年在中科院新疆阿克苏水平衡试验站做抑制水面蒸发实验时,原计划用E601做,但气象站只有一个E601,提出用Φ20×20cm白铁皮蒸发皿和气象台秤观测,做了二十多个蒸发器。Φ20×20cm蒸发器都一字排开摆在水泥台上,水面放16或18醇多的抑制率高,水深大;加醇量小的和对照(不加醇)水深小。据此做了一组不同水深的水面蒸发实验,日内水面温度观测多次,蒸发量早晚观测一次,结果发现:水深大的,热容量大,晚上水温偏高,蒸发偏大;白天水面日晒面积大,水面温度也偏高,蒸发偏大;水深小的,晚上水温偏低,蒸发偏小。降暴雨时,水深大的溅出水多,溅入水小,器内实得雨量偏小,计算蒸发量便偏大;水深小的,溅出水少,溅入水多,器内实得雨量偏大,计算蒸发量偏小,甚至可以算出“负蒸发”。
        我又改变了实验的方法,改变后的实验方案是:20小时测完蒸发后,加水至150mm止。水深对蒸发量的影响,是一个复合函数。白天分两组:一般情况,不论阴、晴和风速大小;前一日阴天,或日照<3.5小时,或刚换上较冷的水,曲线左移(水深影响减少)。晚上,因受季节和风速大小影响分五组。绘出水深对蒸发量的影响七条曲线。把1982年6月1~11日的水面蒸发量都修正到水深150mm时的蒸发量,增加资料可比性[3]。
        通过试验研究发现:Φ20×20cm都放在一个水泥台上,不同水深,水温不同,与水泥台和空气之间热交换肯定不同,又与新疆兵团农一师水管处科研人员合作制做隔热蒸发器。连夜缝制好10几个带底毡套,全部改为隔热蒸发器观测。我发现:水温高的更加高,水温低的更加低,抑制率增加1-2倍,也就是隔热蒸发器的水深对蒸发量的影响,增加1-2倍[3]。
        由此可得出结论:水面蒸发器的设计,稳定水深是增加可比性第一要素,尤其玻璃钢(隔热材料)E601,必须废弃测针,用定时加水和自动溢流法稳定水深。

图1  标准蒸发器的组成

图1  标准蒸发器的组成
1—标准蒸发桶; 2—静水器;3—连接管; 4—降雨溢流桶;
5—活动量筒; 6—胶塞;7—连接管;8—定压安全阀桶;
9—定压安全阀;10—超压溢流桶;11—活动量水桶;12—连接管;


        用隔热蒸发器(Φ20×20cm)做水草(水蓼)蒸发实验,增温值白天为正值,晚上为负值。但是用铁制ΓΓи-3000(改进型)做水蓼实验,增温值白天仍为正值,但晚上的负增温没有了。经过反复观测研究,发现器内水体与器外土壤发生热交换时,因为晚上没有阳光热源,器内外温度很快达到平衡。
        联想E601的水圈,水深不稳定,比器内水深小,白天增温快,晚上降温也快,与器内水体温度不同,必然产生热平流,对蒸发产生影响,降低了站际间蒸发资料的可比性。E601的土台,各站高度不一,材料不一(有用砖砌,水泥抹面,有的还在土台上种植了植物),导致导热率不同。为了稳定蒸发环境,与国际接轨(口缘高出地面7.5cm),本人认为有必要去掉E601的水圈和土台。
        中科院新疆阿克苏水平衡研究站的20m2(×2m)蒸发池内有12根角钢支撑,因为铁的导热率是水的100多倍,对蒸发观测有一定的影响,为此进行了一等比例试验。把1m长铁丝盘旋于Φ20×20cm蒸发器中,蒸发量比对照增加了4%,国家水利部水文局很快接受了这一实验结果,把E601内铁支架去掉了[4][5][6]。
        在1985年西安全国水面蒸发会议上,本人介绍了所设计的水面蒸发器,得到与会专家的好评;1986年试验成功“用定压安全阀过冬的试验”;1988年在南京审查E601型系列水面蒸发器(中华人民共和国国家标准),与会代表对本人的设计“水面蒸发器”给予了支持,在国标中增加 了第3条第4款“凡符合本技术标准的新仪器经部级鉴定后均纳入本系列”;1992年在《水文》杂志第4期公布:于3年内全国统一改造水面蒸发仪器。2007年在中科院新疆阿克苏水平衡试验站试验完成“底侧翼可稳定口沿水平”,本人自2004年起先后申请国家专利17项,目前已授权11项。在申请专利的基础上,目前正在申报十二项国家“水文”标准(GB),水面蒸发器是其中之一。