不同材料蒸發皿及環境因素對水面蒸發測定的影響

趙長龍，劉 毅，王金濤，董心亮，李永剛，孫宏勇*

（1.中國科學院 遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心，石家莊 050022；2.中國科學院大學， 北京 100049；3.河北南大港農科所，河北 滄州 061103；4.河北省冀州區農業局，河北 衡水 053200）

0 引 言

【研究意義】環渤海地區是我國京津冀協同發展的重要區域，與珠三角、長三角構成我國重要的三大經濟區[1]。同時，環渤海區也是我國濕地分布最集中的地理區域，占我國濱海濕地面積的63.6%[2]。在該地區存在大量的水體，準確估算這些水體的水面蒸發量對于淡水資源極度匱乏的環渤海區水資源評價和水資源有效開發利用具有非常重要的意義[3]。

【研究進展】目前，水面蒸發的直接測定主要是利用蒸發皿與蒸發器進行測定[4]，但各種蒸發器的測定值與實際水面蒸發量有一定的差異。小型蒸發器的蒸發量最大可達到實際水面蒸發量的2 倍以上[5]，E-601 蒸發器的蒸發量也可達到實際值的1.3 倍[6]，蒸發器觀測值難以客觀反映自然水體水面蒸發量的真實情況[7-8]。因此，蒸發器所觀測的蒸發量不能直接用作水面蒸發量，需要乘以一個折算系數[9]。蒸發器的規格、材料以及蒸發器安置的位置均對蒸發量的測定精度有影響。當前國際上最常用的蒸發器是美國A 級蒸發器[10]，而國內氣象站常用的水面蒸發觀測儀器主要是Φ20 型蒸發皿與E-601 型蒸發器[5,11-14]。E20 蒸發池（20 m2）是世界氣象組織推薦的標準蒸發池，其測定的蒸發量可近似視為實際水面蒸發量，由于其占地面積大及建設成本高，我國只有少數的站點采用該裝置[15-17]，我國將E-601 型蒸發器作為標準水面蒸發器[18]。前人對不同規格的蒸發器進行了對比，結果表明，陸面Φ20 型蒸發皿所測定的水面蒸發量最大，其次是E-601 型蒸發器，E20 蒸發池水面蒸發量最小[12,19]。當前，國內對水面漂浮式蒸發器的研究也較少，僅少數實驗站有漂浮式蒸發器[20]，且當前采用的漂浮式蒸發器一般都是E-601 型蒸發器，極少對Φ20 型蒸發皿進行漂浮試驗[7]。漂浮式蒸發器的蒸發量遠小于陸面蒸發器蒸發量[21-23]。暖濕的江南、華南地區，漂浮式蒸發器的蒸發量大于同型號的陸面蒸發器的蒸發量，而干旱的華北地區則春夏季漂浮式蒸發器的蒸發量小于同型號的陸面蒸發器的蒸發量，秋冬季則相反，年總蒸發量比較接近[20]。當前對于蒸發器的材料選用有2 種看法：部分學者認為蒸發器一定要用導熱性良好的材料[24]，還有部分學者認為材料熱傳導系數小可改善蒸發器的性能[11,25]。相同規格的玻璃鋼蒸發器與金屬蒸發器相比，其更接近于標準蒸發池的蒸發量，對口徑20 cm 的蒸發皿更為明顯，其準確性與E-601型蒸發器接近[25]。【切入點】我國各省市水文站點基本都配備了Φ20 型蒸發皿，是我國使用最廣泛以及使用時間最長的水面蒸發觀測儀器[26-29]，本研究首次對Φ20 型蒸發皿進行漂浮試驗，且對比了不同材料蒸發皿及陸面與水面環境對蒸發測定的影響。

【擬解決的關鍵問題】本研究立足于環渤海地區，通過對Φ20 型蒸發皿進行漂浮試驗與材料對比試驗，探究蒸發環境與材料對Φ20 型蒸發皿蒸發量的影響，進而確定不同環境條件下何種材料蒸發皿的蒸發量更接近于自然水體的實際蒸發量。由此尋找一種簡便實惠、更加精確又更易推廣的方法來觀測水面蒸發量，為沒有E20 蒸發池的區域提供更為精確的水面蒸發觀測方法或思路。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2019 年7 月4—20 日以及9 月3—19 日在河北省滄州市南大港管理區農林科學研究所進行。南大港管理區農林科學研究所位于河北低平原區，東經117°21′，北緯38°29′，海拔4 m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區。南大港管理區臨近渤海灣，略帶海洋氣候特征，年平均氣溫12.1 ℃，無霜期194 d，年均日照時間2 810 h，年降水量642.5 mm[30]，年平均風速3.4 m/s[31]。

1.2 試驗設計

試驗在南大港管理區農林科學研究所的坑塘南側及坑塘南岸進行。試驗分為陸面試驗與水面漂浮試驗，試驗所用Φ20型蒸發皿采用鐵與亞克力2種材料，鐵蒸發皿統一為內徑20 cm，深10 cm 的蒸發皿（Φ20-I），亞克力蒸發皿有內徑20 cm、深10 cm 的蒸發皿（Φ20-A）以及內徑20 cm、深20 cm 的蒸發皿（Φ20-AH）。陸面試驗在坑塘西南角的草地進行，距坑塘南側岸堤約5 m，蒸發皿距地面約0.7 m，共2個處理，為裝坑塘水的鐵蒸發皿（LI，CK）和裝坑塘水的亞克力蒸發皿（LA），蒸發初始水深均為30 mm，每個處理設置3 個重復。水面漂浮試驗在坑塘南側水面的中部位置進行，距坑塘南側岸堤約5 m，將蒸發皿放置在漂浮于水面的透明大圓桶中，透明大圓桶內徑為60 cm，深20 cm。水面漂浮試驗共4 個處理，分別為蒸發初始水深為30 mm 的鐵蒸發皿（WI）、高10 cm 的亞克力蒸發皿（WA）、高20 cm的亞克力蒸發皿（WH）以及蒸發初始水深為50 mm的鐵蒸發皿（WD）。每個處理均設置了3 個重復。同時在陸面放置了3 個空的鐵蒸發皿（LE），降雨發生時，其作為雨量計計量當天的降水量。

表1 處理與編號對應表 Table 1 The definition of experimental treatments

1.3 數據來源和計算方法

本研究所使用的氣象數據，日照時間來源于中國氣象數據網，其他氣象數據均來源于南大港農林科學研究所的微型氣象站。

蒸發皿的日蒸發量觀測均采用稱質量法，每日08:00 采用精度為0.01 g 的電子秤稱蒸發皿的質量，蒸發用水每日進行更換。每日08:00、14:00、18:00采用精度為0.1 ℃的TES 熱電偶溫度計測量坑塘及蒸發皿中水面10 mm 以下的溫度。

由于E20 蒸發池占地面積大及建設成本高等問題，我國常將E-601 蒸發器所測定的蒸發量視為實際水面蒸發量。經計算，7、9 月地面Φ20 型鐵蒸發皿的蒸發量（LIE）對E0的折算系數分別為0.73、0.76，略高于滄州地區Φ20型銅蒸發皿蒸發量對E-601型蒸發器7 月與9 月的多年平均折算系數，其分別為0.65、0.70[33]。由于Φ20 銅蒸發皿的熱傳導性能較Φ20 鐵蒸發皿好，銅蒸發皿的蒸發量比鐵蒸發皿約大8%[34]。將鐵蒸發皿的蒸發量換算成銅蒸發皿的蒸發量，換算后的蒸發量7、9 月對E0的折算系數分別為0.67 和0.70，與銅蒸發皿對E-601 型蒸發器的折算系數一致。故水面潛在蒸發量E0與E-601 型蒸發器的蒸發量基本相等，E0可以代表當地自然水體的蒸發能力。因此，本研究以E0作為水面蒸發的參考標準。

潛在蒸發量E0的計算采用付學功等[32]修正的彭曼公式，該公式的修正改進以河北省衡水實驗站E20蒸發池（20 m2）的數據為基礎，其計算的年蒸發總量與20 m2蒸發池蒸發量的相對差絕對值在0.1%～5.6%之間，效果較好，適用于河北平原區。

相關統計分析采用SPSS 統計軟件。

2 結果與分析

2.1 不同蒸發皿日蒸發量與潛在蒸發量的比較

7 月是一年中溫度最高的時期，也是最后一個升溫期，9 月是降溫期，故選用7 月以及9 月作為典型月份。試驗于7、9 月的上旬與中旬進行。由圖1 可知，地面鐵蒸發皿的蒸發量（LIE）＞地面亞克力蒸發皿的蒸發量（LAE）＞水面潛在蒸發量（E0）≈水面漂浮鐵蒸發皿的蒸發量（WIE）＞水面漂浮亞克力蒸發皿的蒸發量（WAE），其日均蒸發量分別為6.7、5.5、5.0、4.8、3.4 mm。總體來說，在同樣的環境條件下，鐵蒸發皿的蒸發量大于亞克力蒸發皿的蒸發量。使用同種材料蒸發皿的情況下，陸面蒸發皿的蒸發量遠大于水面漂浮蒸發皿的蒸發量。地面亞克力蒸發皿的蒸發量比較接近水面漂浮鐵蒸發皿的蒸發量。

將潛在蒸發量E0與各蒸發皿所觀測蒸發量進行了對比分析，其擬合情況如圖2 所示。從圖2 可以看出，WIE、LAE、WAE、LIE、WDE、WHE 與E0的擬合系數R2分別為0.79、0.70、0.74、0.68、0.74 以及0.76，其中水面鐵蒸發皿的蒸發量（WIE）與E0擬合情況最好。

由此，認為WI 的蒸發量（WIE）基本上能代表該區域水面蒸發潛力，WI 可作為一種觀測水面蒸發的推薦方法。

圖1 不同蒸發皿測定的日蒸發量與日水面潛在蒸發量的對比 Fig.1 Comparison of the daily evaporation measured using the different pan and the potential evaporation

圖2 各蒸發皿蒸發量與潛在蒸發量的擬合關系 Fig.2 Fitting relationship between evaporation using different pan and the potential evaporation

2.2 不同材料蒸發皿測定水面蒸發量的比較

圖3 反映了觀測期間陸面試驗與水面漂浮試驗中鐵蒸發皿和亞克力蒸發皿測定的蒸發量的關系。由圖3 可知，鐵蒸發皿測定的蒸發量比亞克力蒸發皿的大，陸面試驗中鐵蒸發皿測定的蒸發量約為亞克力蒸發皿的1.2 倍，而水面漂浮試驗中的鐵蒸發皿測定的蒸發量接近亞克力蒸發皿的1.4 倍。其原因可能是鐵的導熱率比亞克力高。在同樣的太陽輻射條件下，鐵蒸發皿的溫度較亞克力高[35]，同時鐵蒸發皿能快速地與蒸發皿中的水體進行熱交換，故鐵蒸發皿中水體溫升較快。圖4 中LI-LA 為地面鐵蒸發皿與亞克力蒸發皿中水溫的差值，WI-WA 為水面鐵蒸發皿與亞克力蒸發皿中水溫的差值。由圖4 可知，在蒸發用水初始溫度相同的情況下，鐵蒸發皿中水體溫度上升較亞克力蒸發皿中水體快。由于水面漂浮鐵蒸發皿與亞克力蒸發皿中水體的溫差較大，故水面漂浮的2 組蒸發皿的蒸發量差異也較陸面的大。

水面漂浮式鐵蒸發皿與亞克力蒸發皿測得的蒸發量相關關系較陸面差，其原因可能是水面漂浮式蒸發皿受風浪的影響較大，在有浪的情況下，蒸發皿中的水面不能保持水平，各蒸發皿內壁的浸潤面積不一樣，故導致蒸發皿所測得的蒸發量有一定的誤差。

圖3 鐵蒸發皿與亞克力蒸發皿蒸發量的關系 Fig.3 The relationship between the evaporation measured using iron pan and acrylic pan

圖4 14:00 鐵蒸發皿與亞克力蒸發皿中水溫的差值 Fig.4 The difference of water temperature between iron pan and acrylic pan at 14:00

2.3 不同高度蒸發皿測定水面蒸發量的比較

本研究也考慮了蒸發皿的高度對蒸發量的影響，該對比試驗在水面漂浮式蒸發皿中進行，對照組為內徑20 cm，高10 cm 的亞克力蒸發皿（WA），控制組為內徑20 cm，高20 cm 的亞克力蒸發皿（WH），蒸發用水均為坑塘水，初始蒸發水深為30 mm。由圖5（a）可知，2 類蒸發皿的蒸發量基本一致，差異不是很明顯。2 種類型的蒸發皿中水體的溫度基本一樣，差異不大。

2.4 不同初始水深蒸發皿測定水面蒸發量的比較

本研究也考慮了不同初始水深對蒸發量的影響，該對比試驗亦在水面漂浮式蒸發皿中進行，對照組為初始蒸發水深為30 mm 的鐵蒸發皿（WI），控制組為初始水深為50 mm 的鐵蒸發皿（WD），均采用坑塘水。由圖5（b）可知，2 種處理的日蒸發量差異不大。

圖5 不同高度、不同初始水深蒸發皿蒸發量 Fig.5 Evaporation capacity of pan under different height and initial water depth

2.5 影響因素分析

2.5.1 陸面與水面環境對蒸發皿蒸發量的影響

本研究中的蒸發皿處于陸面與水面2 種環境，水面漂浮式蒸發皿WI 中水體的平均溫度比坑塘水體高0.1 ℃，而蒸發皿WA、LI 以及LA 中水體的溫度分別比坑塘水體低1.4、1.6 ℃和2.2 ℃，表明水面漂浮式蒸發皿中水體的溫度高于陸面蒸發皿。其原因可能是水面漂浮式蒸發皿周圍是比熱容高的坑塘水體，且坑塘水體體積大，坑塘水體溫度升高之后散熱較陸面蒸發皿中的水體慢。從更換完蒸發用水開始水面漂浮式蒸發皿就一直處于溫度較高的環境中，前期升溫較快，后期降溫較慢。然而水面漂浮式蒸發皿中水體的日蒸發量遠小于陸面蒸發皿，其原因可能是坑塘水面的相對濕度大、飽和水汽壓差小，以至于水面蒸發皿中水體的蒸發量較陸面蒸發皿小。水面漂浮式蒸發皿中水體的蒸發環境較陸面蒸發皿更接近于坑塘自然水體的蒸發環境，故可認為水面漂浮式蒸發皿的蒸發量更接近于坑塘水體的實際蒸發量。就水面漂浮式鐵蒸發皿與亞克力蒸發皿而言，材料對蒸發皿中水體的局部蒸發環境有較大影響，鐵蒸發皿中水體的溫度與坑塘水體溫度基本一樣，而亞克力蒸發皿中水體溫度較坑塘水體溫度低，故其蒸發量可能低于坑塘水體的實際蒸發量。圖6 中LIE-WIE 為蒸發皿LI 與蒸發皿WI 日蒸發量的差值，LAE-WAE 為蒸發皿LA 與蒸發皿日蒸發量WA 的差值。圖6 表明環境對鐵蒸發皿和亞克力蒸發皿蒸發量的影響基本一致，環境對蒸發皿蒸發量的影響比較穩定，不會因蒸發皿材料的不同而不同。

2.5.2 氣象因素對水面蒸發量的影響

氣象因素主要包括風速、相對濕度、總輻射、日照時間、氣溫、水溫等，水面蒸發量與各氣象因素的相關分析結果如表2 所示。

圖6 陸面蒸發皿與水面蒸發皿蒸發量的差值 Fig.6 Difference of evaporation between land and floating pan

表2 水面蒸發量與氣象因素的相關分析結果 Table 2 Correlation analysis results of water surface evaporation and meteorological factors

由表2 可知，水面蒸發量與水面溫度以及飽和水汽壓差的關系非常密切，在P=0.01 水平下達到極顯著水平；水面蒸發與日照時間以及總輻射之間的相關關系在P=0.01 水平下達到顯著水平。平均水溫和飽和水汽壓差是影響水面蒸發的重要因素，但它們之間的關系不是明顯的線性關系，水面蒸發量與飽和水汽壓差以及水面溫度呈二次曲線關系，如式（1）與式（2）所示。為通過主要的氣象因素估算水面蒸發量，對水面蒸發量與主要影響因素飽和水汽壓差、水面溫度進行了多元線性回歸，結果如式（3）所示。

2.5.3 材料與環境對蒸發皿蒸發量影響的比較

材料對蒸發皿蒸發量的影響已在2.2 中進行討論，本節僅探討材料與環境何者對蒸發皿蒸發量的影響更大。本研究通過SPSS 23.0 軟件對材料與環境對蒸發皿蒸發量的影響做了方差分析，分析結果如表3 所示。

表3 不同環境與不同材料對蒸發皿蒸發量影響的方差分析結果 Table 3 Variance analysis of the influence of different environment and materials on pan evaporation

由表3 可知，環境與材料的檢驗P 值均小于0.05，其中環境的檢驗P 值為0.3×10-8，材料的檢驗P 值為0.001，表明環境與材料均對蒸發皿蒸發量有顯著影響。從貢獻的離差平方和來看，環境因素貢獻的離差平方和為131.589，其遠大于材料因素的，故環境因素對蒸發皿蒸發量的影響更大。

3 討 論

蒸發器的材質與型號對測定水面蒸發量影響顯著。不同型號蒸發器測得的蒸發量存在一定的差異[36]，同種型號不同材料的蒸發器測得的蒸發量亦存在一定的差異[34,37]。本研究中鐵蒸發皿的蒸發量是亞克力蒸發皿蒸發量的1.2～1.4 倍。同種型號的蒸發皿處于同一地點的不同環境中，其蒸發量亦存在一定的差異[20]，陸面蒸發皿觀測的蒸發量約是水面漂浮蒸發皿的1.5 倍。對于蒸發皿材料對蒸發量的影響，當前只對比了鐵和亞克力，就處于陸面的這2 種蒸發皿來說，利用亞克力蒸發皿所觀測的蒸發量更接近于實際水面蒸發量。這與裴步祥[25]的研究結果一致，同類型的玻璃鋼蒸發器較金屬蒸發器的蒸發量更接近標準蒸發器的蒸發量，即采用熱傳導率小的材料能夠提高陸面蒸發器的觀測精度。研究所采用的2 種材料的蒸發皿，內徑與內部高度均保持一致，暫未討論壁厚與顏色對蒸發量的影響。就陸面Φ20 型蒸發皿來說，是否還有其他材料的蒸發皿觀測的蒸發量更接近于實際水面蒸發量仍有待于進一步研究。

準確測定水面蒸發量的標準方法仍是需要進一步探討的問題。當前，國外把20 m2的蒸發池作為直接測定水面蒸發的標準方法，但由于其建設和維護費用高等問題，其難以被廣泛推廣應用。我國將E-601型蒸發器作為標準水面蒸發器，但是其與20 m2蒸發池測定的量也有一定差距。本研究以彭曼修訂公式計算的潛在蒸發量（E0）作為一個參考值，并根據折算系數對其進行了驗證，其能代表研究區水面蒸發量。陸面蒸發皿的蒸發量均明顯大于E0，陸面鐵蒸發皿（LIE）測定的蒸發量約為E0的1.34 倍，亞克力蒸發皿（LAE）測定的蒸發量約為E0 的1.1 倍。水面漂浮式鐵蒸發皿測定的蒸發量（WIE）與彭曼修訂公式的計算結果E0較為一致，這是因為其外部蒸發環境以及蒸發皿中水體溫度與坑塘水體基本一致，其在所有處理中最接近坑塘水體蒸發環境。水面漂浮式亞克力蒸發皿測定的蒸發量小于E0，該蒸發皿中的水體溫度比坑塘水體溫度大約低2 ℃，此時溫度可能是影響蒸發的主要因素[38]。相比較而言，水面漂浮式鐵蒸發皿更能代表坑塘水體蒸發的實際情況。故水面漂浮式鐵蒸發皿可作為該區域一種推薦采用的水面蒸發觀測方法，但實際水面蒸發量的精確測定仍需進一步研究。

環境因素是影響水面蒸發測定精度的重要因素。就陸面環境和水面環境來說，環境對蒸發皿蒸發量的影響大于材料對蒸發皿蒸發量的影響。以往研究表明，陸面Φ20 型蒸發皿觀測的蒸發量遠高于實際水面蒸發量[36]，這與本研究結果一致。水面漂浮式蒸發皿的蒸發環境更接近于實際蒸發環境，故認為處于水面環境的漂浮式蒸發皿測定的蒸發量更接近于實際蒸發量。對于水庫、湖泊等大水體蒸發量的觀測，采用漂浮式水面蒸發皿較為準確。但是水面漂浮式蒸發皿受風浪影響較大，大風大浪可能會使蒸發皿中的水蕩出蒸發皿，或者使湖泊等自然水體進入蒸發皿，從而導致觀測不準。Φ20 型蒸發皿相對E-601 型蒸發器，造價低廉，觀測方便，在風浪較小的區域或風浪較小的季節可考慮將其作為水面漂浮式蒸發皿。

4 結 論

1）蒸發皿的制作材料，型號以及其所處的環境和初始水深、蒸發皿高度等因素均會對水面蒸發量觀測精度產生影響。蒸發皿所處的環境是影響水面蒸發觀測精度最主要的因素，陸面蒸發皿遠大于水面漂浮式蒸發皿觀測的蒸發量。

2）蒸發皿的材質也是影響水面蒸發量觀測精度的重要因素，在同一環境中，熱傳導率高的蒸發皿所測得的蒸發量大于熱傳導率低的蒸發皿。就陸面蒸發器而言，熱傳導率小的蒸發器測定精度較高；而對于水面漂浮式蒸發器來說，導熱性能好的蒸發器測定精度更高。故對水面蒸發進行觀測時，在條件允許的情況下，應盡量采用導熱性能好的水面漂浮式蒸發器，利用陸面蒸發器時則建議采用熱傳導率低的蒸發器。

3）蒸發初始水深與蒸發皿的高度對蒸發量的觀測精度影響不顯著。同時，對于研究區內氣象因素而言，飽和水汽壓差、平均水溫以及日照時間是影響水面蒸發的主要氣象因素。