水面蒸發

水面蒸發（evaporation from water surface），指水面的水分從液態轉化為氣態逸出水面的過程。水面蒸發包括水分化汽（又稱汽化）和水汽擴散兩個過程。

基本介紹

• 中文名：水面蒸發
• 英文：evaporation from water surface
• 定義：指水面的水分從液態轉化為氣態
• 過程：水分化汽和水汽擴散兩個過程。

實驗

關於水面蒸發的研究，遠在1687年，天文學家哈利(E. Halley)用蒸發器觀測水面蒸發量。1802年道爾頓(J. Dalton)提出蒸發量與水汽壓差成比例關係。1915年施米特(W. Schmidt)套用熱量平衡原理，確定洋面蒸發。1939年桑斯韋特與霍爾茲曼(C.W.Thornthwaite & Benjamin Halzman)導出質量轉移法計算蒸發公式。約於1920年左右，一些學者於水面撒布單分子薄膜， 以試驗控制蒸發。中國於20世紀20年代開始用直徑80厘米蒸發器觀測水面蒸發，50年代開展蒸發實驗研究。80年代初根據全國蒸發實驗資料，確定了不同氣候區的各類蒸發器折算係數及水面蒸發計算模型。

物理過程

自然條件下的蒸發是水分和熱量的綜合反映，一般來說，蒸發的發生取決於兩個條件：一個是將水由液態變為氣態的熱能；另一個是是否有水分的供應，以及水分供應的狀況。水面蒸發是最簡單的蒸發形式，屬於水分供應不受限制的蒸發麵。因此蒸發主要受制於水面所接受的太陽輻射能量。對於一個自由水面來說，太陽輻射熱量進入水體使得水體表層溫度升高，水分子動能增加，運動加劇，且水面溫度愈高，水分子的運動愈活躍。由於水分子之間本身存在著一定的相互作用力，即內聚力，使得水分子聚集於水體。但當水分子運動的動能大於水分子之間的內聚能時，水分子就能從水體逸出而散失到大氣當中，此即為蒸發的物理機制。由於水體獲得的能量不是均勻的，只有表層那些動能足夠大的水分子才能突破水面進入大氣，所以蒸發主要在水的表層發生。通常將單位水量從液態變為氣態所吸收的熱量稱為蒸發潛熱或大氣蒸發能力。

根據理想氣體狀態方程和混合氣體壓強公式，溫度和體積一定時，氣體的壓力正比於氣體的分子數。在蒸發的初期，由於空氣中水汽分子的數量相對較少，因而水汽壓也較小。

水面與空氣中的水汽壓差則較大，由水面逸出的水分子數量較多。相反的，從空氣中返回水面的水分子數量較小。通常認為水面逸出的水分子數量與返回水面的水分子數量之差，就是實際觀測到的蒸發量或蒸發強度。

隨著蒸發的不斷進行，從水面躍入空氣中的水汽分子愈來愈多，以致水面以上大氣中的水汽含量越來越多，水汽壓也就愈大，水面與空氣中的水汽壓差減小，水汽分子由水面進人大氣的速率明顯減小，而空氣中的水汽分子返回水面的速率則明顯增大。對於一個封閉的系統來說，當兩者進行到一定程度時，必然會出現躍出水面的水汽分子數等於進入水面的水汽分子數，此時空氣與水面的水汽壓差為零，蒸發因此停止。水汽壓差為零時，空氣中的水汽分子達到飽和，此時的水汽壓稱為飽和水汽壓。如果水面的溫度繼續增加，空氣中的蒸發又開始進行，直到空氣中的水汽分子再次達到飽和為止。因此，對於封閉的自由水面來說，蒸發速率主要取決於水面和水面以上大氣之間的水汽壓差。

在自然條件下，由於空氣的體積是無限的，水面上空氣中的水汽分子存在一定的濃度梯度，由水面進入大氣的水汽分子會通過空氣對流、紊動以及水汽的擴散等作用不斷的沿梯度方向向上輸送，從而減少了水面以上空氣中的水分子數，降低了水汽壓，使其很難達到飽和狀態，因此實際上不可能出現空氣與水面的水汽壓差為零的情況。所以自然條件下的蒸發量不僅與飽和水汽壓差有關，還與空氣的對流和紊動以及水汽的擴散等作用有關，而影響這些作用的因素主要有風速、氣壓、濕度等氣象條件。

影響因素

根據蒸發的發生機制，可將影響蒸發的因素分為兩大類：一類是物體表面以上的氣象條件，如太陽輻射、溫度、濕度、風速、氣壓等；另一類是物體自身的因素，對於水面蒸發來說，有水體表面的面積和形狀、水深、水質和水面的狀況等因素。以下分別就這些因素作簡單的分析。

（1）太陽輻射。太陽輻射直接供給蒸發所需的能量，尤其對水面蒸發來說，太陽輻射幾乎都用於蒸發，因此，太陽輻射是影響蒸發的主要因素。太陽輻射有日變化、季節變化和年際變化，水面蒸發也會隨著這些變化而發生相應地變化。

（2）溫度。隨著水溫的增加，水分子的運動速度會加快，從而更易於逸出水面，所以水面蒸發量會隨著水面溫度的增加而增加。而直接影響水溫的主要因素是氣溫，所以氣溫的變化會影響水面蒸發的變化。但由於水面蒸發的影響因素較為複雜，氣溫的變化有時與水面蒸發規律並不十分一致。

（3）濕度。水面上方大氣的濕度增加，其中的水汽分子數量增加，飽和水汽壓差減小，水面與大氣的水汽壓差越小，水分子由水面逸出的速度越慢。因此，在相同條件下，空氣濕度越小，水面蒸發量越大。同時，濕度的變化與氣溫也有著十分密切的關係。

（4）水汽壓差。水汽壓差是指水面的水汽壓與水面上空一定高度的大氣水汽壓之差。一般來說，空氣密度越大，單位體積的水汽分子數量越多，水汽壓就越大；反之，則水汽壓越小。大氣的水汽壓越大，水面與大氣的水汽壓差越小，水面蒸發量也越小，這與濕度變化對蒸發的影響基本一致。

（5）風速。風能夠加強空氣之間的對流和交換，使水面上空的水汽分子不斷被帶走，從而保證蒸發麵與上空始終保持一定的水汽壓差，使得蒸發持續進行。在一定範圍內，風速越大，空氣流動越快，越有利於水汽在空氣中的對流和交換，從而增加水汽界面的水汽壓差，越有利於水面的蒸發。但當風速達到一定程度時，水面的蒸發趨於穩定，此時影響相對較小。同時當冷空氣到來時，風速增加不僅不會促進水面蒸發，相反還會減少蒸發，甚至導致凝結。

（6）水面面積。水體蒸發表面是水分子汽化時必經的通道。一般來說，水面面積越大，則蒸發量越大，蒸發作用進行得越快。對於局部區域來說，水面面積越大，其上空的水汽越不易被帶離水面區域，水面上空的水汽含量越多，越不利於水面蒸發的進行。

（7）水深。水體的深淺對水面蒸發也有一定的影響。總的來說，春夏兩季淺水比深水水面蒸發量大，秋冬兩季則相反。這是因為若水深較淺，水體的上、下部分交換相對比較容易，混合充分，水體各部分溫差小，幾乎相同，並與氣溫變化基本一致，對水面蒸發的影響較為顯著。春夏兩季氣溫較高，水溫也較高，水面蒸發量大，秋冬兩季水面蒸發量則較小。水深較大，水溫在0～4。C變化時，水體存在“熱縮冷脹”的效應，從而使水體上下部分產生對流作用；當水溫超過4℃時，對流作用停止。此外，水深大，水體蘊藏的熱量也大，這對水溫將起到一定調節作用，使水面蒸發量隨時間的變化顯得比較穩定。

（8）水質。水面蒸發不僅會受水量影響，而且還受到水質的影響，即水中溶解溶質多少的影響。一般來說，水中溶質的濃度越大，水體蒸發量越小，比如海水比淡水的蒸發量就小2%～3%。這是由於溶質的存在而減小了單位水面面積內水分子的數量，即在本質上減小了純水面蒸發麵積，從而減小了水體的蒸發量。

此外，水體蒸發表面若有雜物等覆蓋，水體表面接受的太陽輻射就會減少，水體蒸發量也會隨之減小。

蒸發量的確定

水面蒸發量的計算方法大致可以分為兩類：一類是理論計算方法，另一類是經驗計算方法。所謂理論計算方法即就是有較強物理基礎的方法，如熱量平衡法、空氣動力學法和水量平衡法等，這些計算方法分別是利用熱量平衡、空氣動力學和水量平衡等原理和理論來確定水面蒸發量。理論計算方法主要包括熱量平衡法、空氣動力學方法、綜合法以及水量平衡法。經驗計算方法一般是在對實測資料的精度要求不很高的情況下，根據實測資料，利用經驗公式對水面蒸發量進行估算的方法。除此之外，還有一種較為常見的方法，即器測法。

單位時間從水面蒸發的水量稱水面蒸發率,以毫米/日計。水面蒸發量可用儀器直接觀測確定，也可估算。中國採用的直接觀測水面蒸發的儀器有20厘米直徑小型蒸發器，80厘米直徑套盆式蒸發器。60年代初選用 E-601型蒸發器為全國標準儀器。蒸發實驗站則採用20和 100平方米蒸發池和漂浮蒸發器。大水體的蒸發量的確定要用各種蒸發器測得的蒸發量乘以折算係數。折算係數隨蒸發器面積大小，季節和氣候區等不同而異。

大水體蒸發量的間接估算可用水量平衡法，即根據降水、徑流和蓄水量等要素推求自然水體某一時段的水面蒸發量。這種方法精度受測量誤差的影響，套用受到一定限制。另一種是熱量平衡法，是通過測算太陽短波輻射,大氣和水面長波輻射,進出水體的熱量、對流的熱量和水體的儲熱量等來估算蒸發量。如有觀測資料，這個方法能估算到 1小時的時段蒸發量，但由於其中幾個必要的項目難估算，易產生誤差。經驗公式與半經驗公式法是根據蒸發的影響因素之間的關係推求水面蒸發量。

水面蒸發的抑制

水面蒸發消耗水分，也消耗熱能，因此抑制蒸發是保護水熱資源的重要措施。抑制方法尚處在實驗研究階段，可用油脂薄膜和用單分子薄膜減緩水分子的擴散。常用的藥劑為十六烷醇（C16H33OH）、十八烷醇(C18H37OH)或其他混合劑。