第五章 蒸发与蒸腾

1、第五章第五章 蒸发与散发蒸发与散发 （Evaporation and Transpiration） 主要内容主要内容 1. 蒸发现象及其控制条件蒸发现象及其控制条件 2. 水面蒸发水面蒸发 3. 土壤蒸发土壤蒸发 4. 植物散发植物散发 5. 流域蒸散发流域蒸散发 1、蒸发现象及其控制条件蒸发现象及其控制条件 1.1 1.1 几个基本概念几个基本概念 蒸发：蒸发：水分子从物体表面向大气逸散的现象称为蒸发。水分子从物体表面向大气逸散的现象称为蒸发。 蒸发潜热：蒸发潜热：单位水量蒸发到空气中所需的能量称为蒸发潜热。单位水量蒸发到空气中所需的能量称为蒸发潜热。 凝结潜热：凝结潜热：单位水量从空气中凝

2、结返回水面所释放的能量称为单位水量从空气中凝结返回水面所释放的能量称为 凝结潜热。凝结潜热。 蒸发率：蒸发率：单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数单位时间从单位面积蒸发面逸散到大气中的水分子数 与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值称为蒸发率。与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差值称为蒸发率。 蒸发能力：蒸发能力：供水充分条件下，单位时间从单位面积蒸发面逸散供水充分条件下，单位时间从单位面积蒸发面逸散 到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的水分子数之差 值称为蒸发能力。值称为蒸发能力。 w tL177.22491 1、蒸发现象

3、及其控制条件蒸发现象及其控制条件 1.2 1.2 蒸发的分类蒸发的分类 按蒸发面的性质按蒸发面的性质 水面蒸发水面蒸发 土壤蒸发土壤蒸发 植物散发植物散发 冰面蒸发冰面蒸发 流域蒸散发流域蒸散发 按蒸发面的供水条件按蒸发面的供水条件 p饱和面蒸发饱和面蒸发-水面蒸发、土壤蒸发水面蒸发、土壤蒸发 ？ p非饱和面蒸发非饱和面蒸发-土壤蒸发、植物蒸发土壤蒸发、植物蒸发 1、蒸发现象及其控制条件蒸发现象及其控制条件 1.3 1.3 控制蒸发的条件控制蒸发的条件 供水条件供水条件 蒸发面上储存的水量多少蒸发面上储存的水量多少 能量条件能量条件 蒸发面上水分子获得能量的多少蒸发面上水分子获得能量的多少 动

4、力条件动力条件 蒸发面上空水汽输送的速度如何蒸发面上空水汽输送的速度如何 2、水面、水面蒸发蒸发 2.1 2.1 水面蒸发的物理机制水面蒸发的物理机制 水面蒸发水面蒸发最简单的蒸发方式最简单的蒸发方式饱和蒸发面饱和蒸发面 一个水平的自由水面，进入水体的热能增加了水分子的动能，使一个水平的自由水面，进入水体的热能增加了水分子的动能，使 一些水分子所获得的动能大于水分子之间的内聚力时，就能突破一些水分子所获得的动能大于水分子之间的内聚力时，就能突破 水面而跃入空中。水面而跃入空中。 那些动能足够大的水分子，逸出水面那些动能足够大的水分子，逸出水面蒸发蒸发 一些水分子从空中返回水面一些水分子从空中返

5、回水面凝结凝结 从水面跃出与返回水面的水分子数量之差，就是实际观测到的从水面跃出与返回水面的水分子数量之差，就是实际观测到的蒸蒸 发量发量 mm 或或 蒸发率蒸发率(mm/h 、mm/d 等等)。 2、水面、水面蒸发蒸发 2.1 2.1 水面蒸发的物理机制水面蒸发的物理机制 水分汽化过程水分汽化过程 水汽扩散过程水汽扩散过程 )(10610 235 45. 7 Pae s s t t s 2、水面、水面蒸发蒸发 2.2 2.2 水面蒸发的影响因素水面蒸发的影响因素 （1）饱和水汽压差饱和水汽压差 饱和水汽压差指水面温度的饱和水汽压与水面上空一定高度的饱和水汽压差指水面温度的饱和水汽压与水面上空

6、一定高度的 实际水汽压之差。实际水汽压之差。 2、水面、水面蒸发蒸发 2.2 2.2 水面蒸发的影响因素水面蒸发的影响因素 （2）风风 风或气流能加强乱流扩散作用，移走水面上的水汽分子，促进风或气流能加强乱流扩散作用，移走水面上的水汽分子，促进 水汽交换，使水面上水汽饱和层变薄并保持持续强大的输送率，水汽交换，使水面上水汽饱和层变薄并保持持续强大的输送率， 因而风速愈大，水面蒸发率也愈高。因而风速愈大，水面蒸发率也愈高。 2、水面、水面蒸发蒸发 2.2 2.2 水面蒸发的影响因素水面蒸发的影响因素 （3）温度温度 水汽化时需要热能，在蒸发过程中太阳辐射是它的主要能源，水汽化时需要热能，在蒸发过

7、程中太阳辐射是它的主要能源， 它通过气温和水温的增高来影响蒸发。它通过气温和水温的增高来影响蒸发。 2、水面、水面蒸发蒸发 2.2 2.2 水面蒸发的影响因素水面蒸发的影响因素 （4）水质水质 水中含的杂质能阻止水分子运动，减少蒸发。水中含的杂质能阻止水分子运动，减少蒸发。 （5）蒸发表面的情况蒸发表面的情况 蒸发表面是水分子在汽化时必须经过的通路，若表面积大则蒸蒸发表面是水分子在汽化时必须经过的通路，若表面积大则蒸 发面大，蒸发作用进行得快。此外，水体的深浅对蒸发也有一发面大，蒸发作用进行得快。此外，水体的深浅对蒸发也有一 定的影响。定的影响。 不同地理位置、地形情况以及降水量、强度和时空分

8、布都对水面不同地理位置、地形情况以及降水量、强度和时空分布都对水面 蒸发过程有影响。蒸发过程有影响。 2、水面、水面蒸发蒸发 2.2 2.2 水面蒸发的影响因素水面蒸发的影响因素 气象因素气象因素 太阳辐射、温度、湿度、风、气压降水太阳辐射、温度、湿度、风、气压降水 自然地理因素自然地理因素 水质、水深、水面情况、地形地貌等水质、水深、水面情况、地形地貌等 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 a. 理论方法理论方法 b. 经验公式法经验公式法 c.实验观察法实验观察法 h Q n Q e Q inputoutput )1 (RL QQQ L Q E w

9、 n w e 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 a. 理论方法理论方法 水汽输送法水汽输送法Dalton定律：定律： 修正式：修正式： Dalton形式：形式： )(eeAE s )(eeubaE s )(eeufE s 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 a. 理论方法理论方法 水量平衡法水量平衡法 SOOPIE g 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 a. 理论方法理论方法 空气动力学法空气动力学法 )(/(ln()( 202 2 eekzf K uK E s m

10、 w 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 a. 理论方法理论方法 热量平衡法热量平衡法基于能量守恒定律和蒸发需要消耗热量的基于能量守恒定律和蒸发需要消耗热量的 概念而建立起来的。概念而建立起来的。 saaiebrsi HHHHHRRR 0 热量平衡法热量平衡法 R Rn n = =R Rsi si-R -Rr r-R-Rb b 为净辐射为净辐射 (J/min)(J/min) H Ha a= = H Hai ai- H - Ha0 a0为入出流热量差 为入出流热量差 (J/min)(J/min) H Hs s 为水体储热变量为水体储热变量 (J/min)

11、(J/min) =H/H=H/He e 波温系数波温系数 Hai Ha0 HeH RsiRrRb Hs saaiebrsi HHHHHRRR 0 - 为波温系数为波温系数 -P 表面大气压强，单位同表面大气压强，单位同 e ， -Ts 水面温度水面温度 -T 近表面气温近表面气温 - es 表面水温下的饱和水汽压表面水温下的饱和水汽压 -e T温情况下的空气水汽压温情况下的空气水汽压 ee TT P s s 4 101 . 6 Penman 法法 Penman 公式中很多是在结合上两 种方法的推导而得到 彭曼公式彭曼公式 气温气温-饱和水汽饱和水汽 压关系曲线梯度压关系曲线梯度 B函数函数 彭

12、曼经验公式彭曼经验公式 )1 ( )()( 22 L eeLBHHR E ssan 2 20 TT ee s ss 2 12 2 2 1 )/ln( )622. 0( zz u PCK K B m w )( 1 an ERE 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 a. 理论方法理论方法 综合法综合法 an EQE 0 水体吸收净辐射水体吸收净辐射 热量引起的蒸发热量引起的蒸发 风速和饱和差风速和饱和差 引起的蒸发引起的蒸发 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 b. 经验公式法经验公式法 道尔顿公式道尔顿公式 K

13、-K -常数常数 f(u)-f(u)-风速函数风速函数 e es s - -水面温度下的饱和水汽压水面温度下的饱和水汽压 e -e -水面上某一高度水面上某一高度的实际水汽压的实际水汽压 )(eeuKfE s 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 b. 经验公式法经验公式法 华东水利学院（河海大学）华东水利学院（河海大学）1966年年 )(31. 0122. 0 2000 2 200 eeuE 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 c. 实验测量法（器测法）实验测量法（器测法） 利用利用蒸发器蒸发器或或蒸发池蒸发池

14、：直接量出蒸发量：直接量出蒸发量 是当前最简单和实用的方法是当前最简单和实用的方法 2、水面、水面蒸发蒸发 2.3 2.3 水面蒸发的确定方法水面蒸发的确定方法 c. 实验测量法（器测法）实验测量法（器测法） 3、土壤、土壤蒸发蒸发 3.1 3.1 土壤蒸发过程土壤蒸发过程 （1）土壤蒸发的三个阶段）土壤蒸发的三个阶段 毛管断裂含水量毛管断裂含水量 ( (3) ) 田田 间间 持持 水水 量量 ( (2) ) ( (1) ) E/Em 3、土壤、土壤蒸发蒸发 3.1 3.1 土壤蒸发过程土壤蒸发过程 （2）土壤蒸发过程的实验观察）土壤蒸发过程的实验观察 3、土壤、土壤蒸发蒸发 3.2 3.2

15、土壤蒸发的影响因素土壤蒸发的影响因素 气象因素气象因素 温度、湿度、风速等温度、湿度、风速等 供水条件供水条件 土壤含水量、地下水埋深土壤含水量、地下水埋深 土壤特性土壤特性 土壤孔隙度土壤孔隙度 3、土壤、土壤蒸发蒸发 3.2 3.2 土壤蒸发的影响因素土壤蒸发的影响因素 土壤含水量：土壤含水量：决定供水决定供水 地下水位：地下水位：埋深浅，蒸发大埋深浅，蒸发大 土壤质地结构：土壤质地结构：决定孔隙大小和分布决定孔隙大小和分布 土壤色泽：土壤色泽：暗则蒸发大暗则蒸发大 土壤表面特征：土壤表面特征：影响风速、热量吸收、地面温度影响风速、热量吸收、地面温度 3、土壤、土壤蒸发蒸发 3.3 3.3

16、 土壤蒸发能力土壤蒸发能力 特定气象条件下，某种土壤在充分供水条件下的蒸发量或特定气象条件下，某种土壤在充分供水条件下的蒸发量或 蒸发率。蒸发率。 又称可能最大蒸发量或潜在蒸发量。又称可能最大蒸发量或潜在蒸发量。 大于等于实际蒸发量大于等于实际蒸发量 非常数非常数 )( ass eeAE 土 3、土壤、土壤蒸发蒸发 3.4 3.4 土壤蒸发量的确定方法土壤蒸发量的确定方法 实测法实测法 蒸发器、大型蒸渗仪蒸发器、大型蒸渗仪 经验公式法经验公式法 水量平衡法水量平衡法 3、土壤、土壤蒸发蒸发 3.5 3.5 土壤蒸发的抑制土壤蒸发的抑制 植树造林植树造林 覆盖技术覆盖技术 松土松土 4、植物散、

17、植物散发（蒸腾）发（蒸腾） 植物体内的水分主要是通过植物叶面气孔以气态水的形式向大气输 送的过程称为植物蒸腾作用。 植物的蒸腾是植物水分吸收和运转的主要动力，它能降低叶片的温 度和促进盐类养分的吸收与分布。 植物蒸腾的强弱既受土壤水分、通气状况以及太阳辐射、空气温度、 湿度、风速等外部因素的影响，也受叶片气孔的数目、大小、分布、 运动以及角质层厚薄等内部因素的影响。 水分从叶片内到达大气中要克服4种不同阻力，称为阻抗，它们分别 是叶肉阻抗rm、气孔阻抗rs、片流边界层阻抗rb、和大气阻抗ra，总 称为水汽输送总阻抗rt。 4、植物散、植物散发发 4.1 4.1 植物散发的过程植物散发的过程 植

18、物散发的物理过程植物散发的物理过程 4、植物散、植物散发发 4.1 4.1 植物散发的过程植物散发的过程 影响因素影响因素 植物生理条件：种类、生长阶段植物生理条件：种类、生长阶段 气象因素：温度、日照气象因素：温度、日照 土壤含水量土壤含水量 4、植物散、植物散发发 4.2 4.2 植物散发的测定和估算植物散发的测定和估算 实测法：光合作用仪等实测法：光合作用仪等 水量平衡法水量平衡法 热量平衡法热量平衡法 5、流域蒸散发、流域蒸散发 5.1 5.1 流域蒸散发的构成流域蒸散发的构成 * 水域蒸发水域蒸发 * 陆面蒸发陆面蒸发= =土壤蒸发土壤蒸发+ +植物散发植物散发 5、流域蒸散发、流域

19、蒸散发 5.2 5.2 流域蒸散发的估算流域蒸散发的估算 （1）水量平衡法）水量平衡法 列出任一区域选定时段内的水量平衡方程式列出任一区域选定时段内的水量平衡方程式 观测或求出方程式中其他各项观测或求出方程式中其他各项 推算区域总蒸发量推算区域总蒸发量 5、流域蒸散发、流域蒸散发 5.2 5.2 流域蒸散发的估算流域蒸散发的估算 （2）经验公式法）经验公式法 史拉别尔史拉别尔 ： 奥里杰科普：奥里杰科普： )1 ( xL R exET 0 0 ET x thETET ET - ET - 年总蒸发量年总蒸发量 x - x - 年降水量年降水量 ETET0 0 - - 蒸发能力，蒸发能力，ETET

20、0 0 = R/L = R/L R - R - 太阳辐射平衡值太阳辐射平衡值 L - L - 蒸发潜热蒸发潜热 thth - 双曲正切函数双曲正切函数 人们曾经认为全球变暖会引起海水蒸发量和总体降水量的增加，地人们曾经认为全球变暖会引起海水蒸发量和总体降水量的增加，地 表水分蒸发蒸腾总量也会随之增加。而且从数据来看，某些地区确表水分蒸发蒸腾总量也会随之增加。而且从数据来看，某些地区确 实比以前更加湿润。然而，研究表明其它广大地区现在逐渐干涸。实比以前更加湿润。然而，研究表明其它广大地区现在逐渐干涸。 Law教授说这将导致植被承受的干旱压力增大，总体植被减少，碳教授说这将导致植被承受的干旱压力增

21、大，总体植被减少，碳 吸收量减少，地表水分挥发的冷却效应减弱，并且最终导致更频繁吸收量减少，地表水分挥发的冷却效应减弱，并且最终导致更频繁 的强热潮。的强热潮。 蒸散量的计算方法 为该月的月平均气温 月热量指数年热量指数参见 为一个月的实际日数为实际日长其中 月平均可能蒸散 气候学法桑斯威特法 则与若忽略 水分平衡法 m m md mmd P t t iiIPIf Nl I tNl ET RPESD SDRPE ,) 5 (,100)( ,: ) 10 )( 30 )( 12 (6 . 1 )(. 2 , :. 1 514. 1 3. 彭曼法（气象学法） 在实际工作中多采用彭曼（英H.L.Pe

22、nman）法，在热量平 衡的基础上又考虑了水汽输送，于1948年提出了半理论半 经验公式： )6 . 0, 8 . 0( 2),160/1 (37. 0)( )(, , , 101 2 20 0 冬季为夏季则农田植被可能蒸散 米处的风速为其中 为干燥力 为湿度常数为开阔水面净辐射量 饱和水汽压曲线斜率为温度其中 自由水面的可能蒸发量 fEfET uuuf eeufEE APR TT ee S S ESR E p saa n s s an 4.彭曼-蒙泰斯法 Monteith(1963，1964)将输送阻抗概念引入 彭曼公式即得 分别为空气与植被阻抗 为土壤热通量密度 为空气的定压比热其中 ca

23、 P aca aasPan 、rr G kgJC mW rrrS reeCGRS LE ; ,deg./1005: )/( / )( / )()( 2 5.鲍恩比法（能量平衡法） )/(11 , , , 1926)( et GRGR LE GLELEGLEHR e t LE H KK LE H LE HBowen nn n wh 因 为湿度常数其中有时即当 数相等时系数与水汽湍流交换系当大气中热量湍流交换 即称之为鲍恩比的概念之比值密度 与潜热通量年提出了感热通量密度于鲍恩 土壤水分常数 1.田间持水量：亦称为“最小持水量”，是土壤水 分常数的一种。在地下水位深，没有层次性的土 壤中所保持全部毛细管悬着水的含水量。田间持 水量长期以来被认为是土壤所能稳定保持的最高 土壤含水量，也是土壤中所能保持悬