蒸发桶中水温变化规律及其影响因素

张 蕾1，2，王文科1，2，王周锋1，2

（1．长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710064；

2．旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安 710064）

作者简介：张 蕾（1990－），女，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，环境工程专业。

王文科（1962－），男，长安大学环境科学与工程学院教授。

王周锋（1976－），男，长安大学环境与工程学院讲师。

摘 要：蒸发是自然界水文循环过程中的主导因素之一，而水温是影响水体蒸发的关键要素，清晰了解水体温度变化规律及其影响因素，对于更好的研究水体蒸发具有重要意义。本文通过野外原位试验，研究了不同深度水体温度变化规律及其与气象要素关系，研究结果表明：在水深为2．5m条件下时，水温日变化随深度增加而减小，水下0～20cm处是温度剧变层，而水下20～100cm处是掺混变温层，而水深超过100cm是稳定低温水层；与气象要素研究关系表明水温变化和气温、太阳辐射呈正相关，与相对湿度呈负相关。本研究对准确计算浅水型水体水温变化具有一定的指导意义。

关键词：水面蒸发；水温；气温；相对湿度；太阳辐射

Abstract：Evaporation is the dominant factor along the hydrological cycle of nature，and water temperature is a vital ingredient for evaporation form water surface，the changing law and influencing factors of water temperature is of great importance for investigating the water evaporation．Based on field experiment in situ，to study the change laws of the temperature of the wa－ter at various depths．The results indicated that change in water temperature occurs because of multiple factors．When the water depth of 2．5meters，the water temperature of diurnal variation decreases with depth，under water about 0～20cm is ex－treme changes in temperature，about 20～100cm is mixing zone，when the water with a depths of more than 100cm，the tem－perature low and stable．It has positive correlation with the air temperature and solar relation，have negative correlation with the relative air humidity．These results are important for accurate calculation the variety of shallow water．

Key words：Water evaporation；Water temperature；Air temperature；Relative humidity；Solar radiation

1 前 言

蒸发是自然界水文循环过程中的主导因素之一，是水文和气象过程间的重要衔接环节，是衡量水分收支、参与地球表面水热平衡的重要因素，也是决定小气候及区域气候的重要因子［1－2］。水面蒸发的研究对于区域气候、旱涝变化趋势，水资源评价、水资源形成及其变化规律等方面的研究有着重要作用，对整治国土、合理开发利用水资源、确定灌溉定额、防治土壤盐渍化、估算不同农作物的灌溉用水量以及编制区域或流域规划都具有重要意义［3－4］。水分在蒸发的过程中可以调节气温，而水热平衡对全球气候研究也是一个重要环节，因此水面蒸发成为国际水文学界长期研究的重要课题之一。

水面蒸发影响因素很多，主要气象因素取决于太阳辐射、水汽压力差、气温、风速、地温、气压以及降水等，主要自身影响因素取决于：水质、水深、水面面积。其中水温对水面蒸发量的准确计算尤为重要，因此正确认识蒸发水体的温度特征及其影响因素，对于揭示旱区水体蒸发机理，以及水资源科学管理和利用、农田水分研究具有十分重要的现实意义，还可为有关部门制定一定的政策和措施给予指导。同时水温的变化对水环境、水生生物、水生态系统［5－8］等也会产生重要影响。而在干旱半干旱地区，温度变化剧烈，是影响地表水体蒸发的关键因素之一。在对水温的研究中，美国在20世纪60年代最早开始进行水温模型研究［9］，水温模型也经历了垂向一维，到立面二维、三维的发展历程。（垂向一维水温模型的代表为20世纪60年代末美国水资源工程公司（WRE）的Orlob等［10］提出的WRE模型，以及麻省理工学院（MIT）的Huber等［11］提出的MIT模型。）一维模型只考虑了垂向水库分层，对纵向变换明显和库区较长的水库并不适合。1975年Edinger等［12］开发了LARM立面二维水温模型，1986年美国陆军工兵团水道实验室基于LARM模型开发出立面二维水质和水温通用模型软件CE－QUAL－W2［13］。立面二维水文模型能较好地模拟水库水温在纵向上的形成和发展过程，适用范围较广。三维水库水温模型具有理论严密、适用条件广泛的优点，但是随着模型维数增多，数据和资料准备收集也越多，计算模型也越趋于复杂，对计算机的要求也越高，因此目前二维水库水温模型仍是主流方向。我国对水库水温的研究起步较晚，虽然已经取得一定的成果，但是和发达国家相比仍然有很大的差距，技术水平明显落后于发达国家。但是现有的水温模型均是用来计算大型水库和湖泊的水温分层、分布特点，对小型水库和小面积水域的研究较少，且针对西北干旱半干旱地区水体温度的研究较少，尤其是气象因子对水温的影响的研究更少。

因此本实验以野外原位实验为基础，在2．5 m深度蒸发桶中布置温度探头，监测水面以上不同高度和水体中不同深度的温度变化，并结合气象要素信息分析水体上部空气温度和水体中温度的变化规律，为进一步提高Penman［14－16］公式在干旱半干旱区的计算精度提供数据支持。

2 材料与方法

2．1 实验区概况

研究区位于渭河冲积平原长安大学渭水校区水与环境原位试验场。场地开阔，地势平坦，阳光充足，周围无遮挡物，通风良好，受到周围外界条件的影响较小，适合安装蒸发皿进行蒸发观测试验。

研究区处关中盆地，属温带半干旱、半湿润区，季风气候，多年平均气温12～13．6℃。年降水量530～1000mm，西部多与东部，南部多于北部，其中7～9月份占45％，多为短时暴雨，冬春降水较少，春旱、伏旱频繁。年蒸发量1000～1200mm；相对湿度61％～72％，潮湿系数0．6左右，湿度适中［17］；年日照时数2100～2500小时。

实验所需的气象资料通过水与原位试验场设置的自动气象观测站获取，观测项目包含气温、气压、相对湿度、太阳辐射等。

2．2 实验原理与方法

2．2．1 实验原理

动态水量平衡法，实验原理图如图1：M平面、B平面、A口三处保持同一高度，M平面是蒸发桶中的水面，B平面是平衡杯中水面，A与大气相通，当M面因蒸发水位下降时，会从平衡杯中迅速向蒸发桶中补水，此时供水筒又会迅速向平衡杯补水，则补水量就等同于该时段蒸发量。

图1 动态水量平衡实验原理图

2．2．2 数据观测

温度测量：本文中蒸发桶深度为2．5m，直径为1．128m。水温通过布设在蒸发桶正中央的温度柱进行测量，温度柱共设置24个温度探头，以水面为基准面，其位点分布依次为（单位：cm）：8、6、4、2、0、－2、－4、－6、－8、－10、－12、－14、－16、－18、－20、－30、－40、－60、－80、－100、－120、－160、－200、－240。

3 结果与讨论

3．1 水温垂向变化

图2为水温随深度变化的规律，不同时间段（0∶30、6∶30、12∶30、18∶30）水温随深度变化如图2所示，不同时刻水面上的温度变化均非常剧烈，距离水面越远的温度变化越剧烈。

随着水深的加深，水温的垂向变化逐渐变缓；在水深0～20cm处水温变化剧烈，在20～100cm处温度变化依旧明显，但是变化趋势明显减小，在同一时刻水面100cm以下水温变化趋势很小，几乎呈一条直线。而在不同时刻，温度曲线的变化趋势是相似的，0∶30、6∶30、18∶30时水面100 cm向下处的水温均低于12∶30时水温，且水温在水深100cm向下时，水温变化是相对稳定变化的，存在一个最大值，一个最小值，水温在此区间内缓慢变化。故在此基础上对水温变化带进行划分，则水下0～20cm处是温度剧烈变动带，易受气象要素条件的影响；水下20～100cm处是掺混变温层，水温变化缓慢，该层水温在热传导作用的影响下，以天为单位水温不断变化，而水深超过100cm处是稳定的低温水层，受气象因素影响较小，主要是因为表层水温升高时，密度较大的低温水体就会下沉，与底部水体混合，当水体混合均匀之后，则在蒸发皿下部形成一个相对稳定的低温水层。

图2 不同时刻垂向水温分布图

3．2 气象要素对水温的影响

为进一步研究水温变化和气象要素的关系，研究了逐日水面温度与各气象要素逐日观测值之间的相关关系。图3为逐日水面温度分别与相应的气温、相对湿度和太阳辐射的相关关系图。

图3 水温与气象要素的相关关系

图3中不同深度水温都在14～15时达到最高峰，气温也在该时段达到最高峰，说明水温随气温的变化趋势而变化。而且图3可以看出水温、气温变化振幅相似，但是水温的变化幅度明显小于气温的变化幅度，这是因为水体的比热容很大，因此水温升温缓慢，在表面水温不断升高时，通过热传导作用，下层的水温也不断的升高，水体储热，当气温下降时，水面温度也会下降，但是下降速率慢，因为水面温度受气温、蒸发、水体储热多重影响，变化缓慢。在其他气象要素不变的前提下，气温升高，水面温度随之升高，水面蒸发量也随之增加。

当水温达到日平均最高点时，空气相对湿度处于日平均最低点。相对湿度的日变化与水温的日变化相反，最大值出现在日出前后，最小值出现在下午14～16时之间。蒸发面上的湿度和蒸发面以上一定高度内的湿度梯度是影响水面日蒸发量的最主要因素［18］，故相对湿度越大，空气中的水分子饱和程度越高，从水面进入空气的水分子就越少，因此相对湿度高时会抑制蒸发。水面如果能够获得足够多的热量，通过水汽界面转变为水汽的分子很多［19］，当水汽分子被不断且及时的移走，则此时蒸发量就会随之增加。另外，太阳辐射强度则在正午12时达到最高值，水温在正常的天气条件下，一日内，最高温度出现在14～15时左右，最低温度出现在早7时左右，水温达到最高值点滞后于太阳辐射达到最高点约2～3h。这是因为太阳辐射虽在正午以后已逐渐减弱，但水体表面吸收的太阳辐射能仍大于其所支出的热量，所以，其温度仍继续上升，直到约14～15时，水体表面的热量收支达到平衡时，其温度才达到最高值。此后，因热量的支出大于收入，温度才逐渐下降。同理，在早7时左右，水体表面由于经过一整夜的辐射冷却，温度越来越低，放射长波辐射的能量也越来越少，几乎完全为其吸收的由分子传导、水相变化输送来的热量所补偿，此时热量达到收支平衡，出现最低温度。日出后由于吸收的太阳辐射能逐渐增加，温度又逐渐升高。

水面温度与气温相关系数为0．913，以上所有相关系数均在0．01水平上双侧显着相关，呈正相关，说明气温是影响原位试验场蒸发皿中水温的主要因素之一；水面温度与相对湿度的相关系数为－0．546，呈负相关；水面温度与太阳辐射相关系数为0．529，呈正相关。

综上所述，该水面蒸发实验区所观测的蒸发皿逐日水面温度变化与气温相关性很好，与太阳辐射和相对湿度关系较好。而水面由于其比热容和导热率等比较大的原因，加上水体可通过水平流动和对流、乱流使不同温度梯度的水发生混合，又因水面能将太阳辐射的能量透射到水的深层，因此，水面温度的日较差比较小。同时水体温度的日较差的大小，还与水体的性质有关，如浊度会影响反射率，从而影响到热量平衡和水温；而盐分子的吸附力同样会使水面蒸量减小［20］。同时蒸发器的尺寸，颜色，安装方式、材质等器质性因素也会对水温产生影响，从而影响蒸发量［21］。

4 结论

（1）水面上各路温度（高于水面8cm、6cm、4cm、2cm处）变化最为剧烈，但随着水深的增加，水温的变化逐渐缓慢，日较差也越来越小。水下0～20cm处是温度剧烈变化带，水下20～100cm处是水温缓变层，而水下100～240cm处相对稳定水层。

（2）水温日变化规律与气温日变化呈相同变化趋势，但随着水深的增加，气温对水温的影响在逐渐减小，气温与平均水温呈正相关，相关系数为0．804；相对湿度与水温为负相关关系，与水面温度的相关系数是－0．546，最大值出现在日出前后，最小值出现在下午14～16时之间；而太阳辐射与平均水温的相关系数为0．372，水温的变化受太阳辐射影响，但是随着水深的增加，水温受太阳辐射的影响逐渐减弱。水温达到最高点的时间滞后于太阳辐射最高点的时间约2～3h。

综上可知，蒸发器中水温的变化是多因子共同作用的结果，气温、太阳辐射等要素均对水温变化有影响。同时水体自身条件（浊度，盐度等），蒸发皿的各项因素（尺寸、材料、安装方式等）也会对水温变化有影响。

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