ISPARAVANJE - EVAPORACIJA

Transcript

1 ISPARAVANJE - EVAPORACIJA

2

3 Isparavanje Definicija - isparavanje podrazumeva prelaz vode iz tečnog (ili čvrstog) u gasovito stanje (vode u paru) Za proces isparavanja neophodno je da postoji izvor vlage, gradijent protoka vodene pare između površine vodei atmosferei izvor energije ili latentna toplota koja se dobija od Sunca, iz zemlje, iz vazduha ili same vode

4 Isparavanje Isparavanjesa vodenepovršinezavisiod raspoložive energije, temperaturevodei vazduha, deficita zasićenosti vazduha iznad vodene površine, brzine vetra, insolacije, atmosferskog pritiska i hemijskih osobina vode. Proces isparavanja se dešava na bilo kojoj temperaturi vazduha. To je univerzalna pojava na svakom mestu na zemljinoj površini gde je atmosfera nezasićena vodenom parom, a postoji voda koja je na raspolaganju

5 Isparavanje Generalno isparavanje zavisi, od klimatskih karakteristika određenog područja. Kod vlažnih klima (humidnih) isparavanje je beznačajno, iz razloga što u atmosferi postoji velika količina vlage. Kod suvih (aridnih) klima isparavanje je odlučujući faktor klime. Odnos padavina i isparavanja je različit: kod vlažnih klima - odnos je veći, kod suvljih klima - direktno zavisan, kod poluvlažnih (subhumidnih) i polusuvih (subaridnih) - isparavanje je direktna funkcija padavina.

6 Isparavanje Razlikuju se sledeća dva osnovna oblika isparavanja: Isparavanje sa slobodne vodene površine Sumarno isparavanje (evapotranspiracija). Sumarno isparavanje se zatim deli na: Isparavanje sa terena Isparavanje sa biljaka (intercepcija) Isparavanje kroz biljke (transpiracija)

7 INSTRUMETI ZA MERENJE ISPARAVANJA I GRUPA Evapometri tipa WILD, ISPARITELJ KLASE A i PIŠE mere isparavanje u toku dana sa određenih malih površina izloženih vazduhu u zaklonu II GRUPA čine sudovi koji se postavljaju na vodene površine pod skoro istim uslovima kao što se nalazi voda na površini III GRUPA čine manji baseni ukopani na obali, pored velikih vodenih površina, sa većim ili manjim dubinama ispod ili iznad terena, odnosno iznad ili ispod vodene površine IV GRUPA čine instrumenti koji mere isparavanje određenog kvadra terena izloženih sličnim uslovima kao i ostali teren. Oprema i instrumenti za merenje se nalaze ispod terena - LIZIMETRI

8 Wild-ov isparitelj F = 250 cm 2 h = 35 mm je najstariji tip instrumenta koji je korišćen u našoj zemlji. Radi na principu vage Ne daje zadovoljavajuće rezulate. Dobijeni podaci ne odgovaraju stvarnim vrednostima isparavanja u prirodnim uslovima, bilo sa slobodne vodene površine, bilo sa zemljine površine ili sa vegetacije. Iako daju samo približnu sliku isparavanja imaju praktični značaj jer su nizovi osmatranja dovoljno dugi

9 Pishe-ov isparitelj sastoji se od staklene cevi dužine oko 80 cm koja je savijena za 180 o pri dnu. Gornji kraj cevi je zatvoren. Cev je ispunjena destilovanom vodom do nultog podeoka skale, a na donjem kraju nalazi se otvor na koji se stavlja upijajući papir sa kojeg voda isparava. Postavlja se u meteorološku kućicu, a količina isparene vode se meri na graduisanom vertikalnomdelucevi. Filtriraju}i papir 1.5 cm Te~nost u cev~ici - destilaciona voda 25 cm

10 Isparitelj klase A plivaju}i temometar cm mera~ nivoa u sudu 5 cm 25.4 cm Sastoji se od metalnog cilindričnog suda prečnika 121 cm i dubine 25.5 cm koji se puni vodom Sud je napravljen od pocinkovanog lima debljine 0.8 mm, a puni se vodom do visine 5 cm ispod gornje ivice suda, koji je postavljen na impregnirano drveno postolje. Sastavni deo isparitelja je komora za umirenje vode (mesingani cilindar), koja se postavlja na dnu suda isparitelja, u blizini njegove severne strane. Meri se sniženje nivoa vode, koja se usled isparavanja tokom određenog vremenskog perioda gubi iz posude. Merenje nivoa vrši se pomoću mikrometra (mikrometarskog zavrtnja).

11

12 II grupa plivajući baseni II grupu čine sudovi koji se postavljaju na vodenoj površini "pod skoro istim uslovima pod kojima se nalazi voda na površini".

13

14 III grupa manji ukopani baseni ili posude Ovu grupu čine manji baseni ili posude ukopane na obali, pored velikih vodenih površina, sa većim ili manjim dubinama ispod ili iznad površine terena, odnosno iznad ili ispod vodene površine. Jedan od tipova instrumenata koji pripada ovoj grupi je isparitelj GGI To je cilindrična posuda, površine 300 cm 2, sa dnom u obliku kupe. Sud je ukopan u podlogu, dubina njegovog zida je 60 cm, a centar (temena kupe) 68.5 cm. Gornja ivica suda je 7.5 cm iznad površine podloge.

15 povr{ ina zemlje R=121 cm ISPARITELJ KLASE A 25.5 cm 10 cm 7.5 cm R=61.8 cm merni sud komora za umirenje 60 cm R=5.04 m 7.5 cm povr{ ina zemlje 8.5 cm BAZEN 20 m ISPARITELJ GGI 3000

16 Bazen WMO Od manjih bazena najčešće se koristi basen WMO. To je cilindrični sud sa ravnim dnom, prečnika 5 m, površine 20 m 2 i dubine 2 m, koji je ukopan u podlogu, sa gornjom ivicom od 7.5 cm iznad površine podloge. merni sud komora za umirenje R = 5.04 m 7.5 cm povr{ina zemlje BAZEN 20 m

17 IV grupa - lizimetri IV grupu čine instrumenti koji mere isparavanje (evapotranspiraciju) određenog kvadra terena, izloženog sličnim uslovima kao i ostali teren. Oprema i instrumenti za merenje nalaze se, uglavnom, ispod površine terena. Prema načinu merenja sadržaja vlage, lizimetre svrstavamo u dve osnovne grupe: zapreminski i težinski.

18

19 Lizimetar ET = evapotranspiracija P = padavine (meri se) A = horizontalni presek A ΔV = pove}ane zapremine vode u sudu (meri se) Iz = zapremina izva ene vode (meri se) (P-ET)A = DV+Iz ET = P - ΔV + Iz A evapotranspiracija (padavine) - (upijanje) meri se

20 Lizimetar sa konstantnim nivoom podzemnih voda ul ET = evapotranspiracija iz A P = padavine A = horizontalni presek ul = zapremina ulivene vode Iz = zapremina izva ene vode } ulivanjem, odnosno crpljenjem, odr` ava se konstantan nivo (C = const.) Const. Bilans: ET = P + ul - iz A

21 Isparavanje sa slobodne vodene površine U nedostatku merenih podataka, isparavanje sa slobodne vodene površine može se oceniti jednom od sledećih pet metoda vodnog bilansa energetskog (toplotnog) bilansa aerodinamičkog postupka ekstrapolacije merenja instrumentima empirijskom metodom

22 Metoda vodnog bilansa Zasniva se na osnovnoj jednačini vodnog bilansa za određeni vremenski interval. Zahteva precizno određivanje komponenti jednačine vodnog bilansa T Teškoće malo je jezera gde se mere ove komponente bilansa. Ukoliko je isparavanje malo u odnosu na ostale komponente jednačine vodnog bilansa, greške u određivanju isparavanja su velike.

23 Metoda vodnog bilansa P + Q d + Q pod = E + Q o + ΔW P - padavine prispele na površinu jezera, Q d - površinski doticaj, Q pod - neto podzemni doticaj ili oticaj, E - isparavanje sa slobodne vodene površine, Q o - površinski oticaj, ΔW - promena zapremine jezera za period diskretizacije vremena Δt.

24 Metoda toplotnog bilansa Bazira se na proceni svih izvora ulazne i izlazne toplotne energije u nekom prostoru i promeni akumulisane energije u tom prostoru Sastoji se u iznalaženju ukupne toplote koju prima voda, pošto je isparavanje direktno proporcionalno potrebnoj energiji za pretvaranje vode u paru. Voda u jezerima prima najveći deo toplote direktno od Sunca, a samo manji deo posebno preko vazduha, iz vode koja ulazi u jezero i od zemljišta.

25 Metoda toplotnog bilansa Energija koju voda dobija od sunčeve radijacije zavisi od Nagiba sunčevih zraka Izloženosti površine Oblačnosti Uticaja atmosfere na apsorpciju i odbijanje zraka Trajanje sunčevih dana Procena odbijene energije

26 Metoda toplotnog bilansa Na kraju atmosfere 1 cm 2 postavljen pod pravim uglom u odnosu na dolazeće zrake, prima u proseku sa malim varijacijama, oko 8.12 J na minut. Na površini Zemlje procenat primljene energije varira od 35 do 65 % prema gornjoj energiji, a za razne geografske širine srednje mesečne vrednosti primljene energije kreću se od J do J na cm 2 /dan

27 Metoda toplotnog bilansa Primenjuju se zakoni o održanju energije po obrascu U E = I A G V ( 1+ R) E Isparavanje U - radijacija po cm 2 horizontalne površine I odbijena radijacija na istoj granici kao U A akumulisana toplota u vodi na jedinici površine do pune dubine vode G gubitci toplote kroz zidove sudova ili kao primljena i izgubljena toplota od vode koja prelazi kroz jezero V toplota za isparavanje vode R Bowenov odnos između toplote odnete konvekcijom i toplote odnete vodenom parom

28 Metoda toplotnog bilansa Parametar R se određuje R = 0.46(T e s v e z T z ) B 760 Tv temperatura površine vode Tz temperatura vazduha e s pritisak zasićene vodene pare e z momentalni pritisak vodene pare u vazduhu B barometarski pritisak.

29 Aerodinamički postupak Bazira se na postavci da je transport vodene pare sa vodene površine u suštini turbulentan proces koji zavisi od meteoroloških fenomena. Postoje mnoge aerodinamičke jednačine, bilo teorijske bilo empirijske, pomoću kojih se definiše ova veza. Neke od njih su veoma složene i sa velikim brojem meteoroloških ulaznih podataka, dok su druge jednostavne i sa podacima o brzini vetra, pritisku i temperaturi. Uglavnom svi obrasci i teorijske analize polaze od fizičkih zakona primenjenih u aerodinamici i dinamičkoj meteorologiji.

30 Aerodinamički postupak Miler, polazeći od vertikalne izmene masa u vezi sa turbulentnošću vazduha, sa viskozitetom i brzinom vetra, daje sledeći obrazac za proračun isparavanja sa slobodne vodene površine E = C e w( T v v e T w h ν h h )

31 Aerodinamički postupak Gde su C - stalni eksperimentalni koeficijent, w - brzina vetra na višoj tački h, e v - pritisak zasićene vodene pare pri temperaturi vode T v, T v - temperatura vode, T h - temperatura vazduha na višoj tački h, e h - stvarni pritisak vodene pare na višoj tački h, h - visina iznad terena na kojoj se mere e h, T h i w, ν- kinematski viskozitet vazduha koji zavisi od temperature i pritiska vazduha.

32 Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima Upraksise često koristi za ocenu godišnjeg isparavanja sa jezera i akumulacija. To se čini jednostavnim množenjem isparavanja izmerenog na isparitelju sa nekim prelaznim empirijskim koeficijentima. Merenjem isparavanja u sudovima ili manjim basenima dobija se određena slika o isparavanju sa vodenih površina na određenim mestima i u datim klimatskim uslovima.

33 Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima Isparavanje u prirodi je znatno manje nego isparavanje u manjim sudovima. Sa povećanjem površine sudova ili basena izmereno isparavanje se sve više približava isparavanju sa većih vodenih površina.

34 Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima Zbog ovoga upotreba sudova ili manjih basena zahteva dve korekcije. Prva korekcija je između sudova raznih tipova po veličini i po drugim osobinama. Druga korekcija je zbog velike disproporcije između površine sudova i površine jezera. Kod sudova isparavanje zavisi od vrste suda i njegovih dimenzija, pri čemu je površina vode u sudu odlučujući faktor. Prema položaju sudovi se mogu svrstati u tri tipa: u vazduhu, na zemlji i na vodi

35 Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima Na isparavanje utiče oblik suda, zatim dejstvo vetra, sunca i vode prema vrsti suda. Što je sud manji, veći je uticaj graničnih uslova na jedinicu površine, pa je isparavanje veće. Za određeni sud pretpostavlja se da je odnos gde su E Eo isparavanje sa velike vodene površine o Es isparavanje sa sudova i malih basena R = E s Konstantan, a R < 1.0 Prema Poljakovu ovaj odnos je funkcija deficita vlažnosti vazduha d R = d

36 Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima U operativnoj hidrološkoj praksi postoji niz metoda za određivanje koeficijenta redukcije R. Jedna od najprostijih je formula Webba, koja glasi E j = e e j a E j - isparavanje sa jezera (mm), e j - maksimalan pritisak vodene pare na površini jezera, pri maksimalnoj temperaturi vode (mb), e a - maksimalan pritisak vodene pare na površini vode isparitelja klase A, pri maksimalnoj temperaturi vode (mb). e 4 - pritisak vodene pare na visini 4 m u 15 časova (mb), E A - isparavanje izmereno na isparitelju klase A (mm). e e 4 4 E A

37 Empirijske metode U hidrološkoj praksi koriste se empirijske formule za proračun isparavanja sa slobodne vodene površine. Sve se sastoje od uspostavljanja zavisnosti isparavanja u funkciji merenih meteoroloških veličina. Sve ove formule polaze od pretpostavke da se isparavanje sastoji iz sume "difuznog" (E d ) i vetrovog (E v ) isparavanja

38 Empirijske metode E = gde je A i B w Ed E d + E v = A + B konstante koje su funkcije deficita vlažnosti (d) i drugih koeficijenata (a i b) brzina vetra je isparavanje u mirnom vazduhu i sa difuznim kretanjem vlage u vazduhu sa konvektivnim širenjem i izduživanjem vazduha. w = a d + b d w Podela isparavanja na dva dela nema fizičkog opravdanja i zbog toga je najbolje izraziti isparavanje kao E = ( a + b w) d

39 Empirijske metode Obrazac Mayer-a mesečne sume isparavanja E ( 15 + w) d = 3 Obrazac Mayer-a sa popravkom Tihomirova - koriste se dnevni podaci deficita vlažnosti i vetra na 2 m visine. Kako je R < 1.0 sledi E ( 15 + w) d = R 3

40 Empirijske metode Formula Poljakova mesečne sume isparavanja E = (a + b w) d 2 3 = ( w) d 2 3 = 18.6 ( w) d 2 3

41 Empirijske metode Formula Davidova E ( +. w) = d Isti autor (Davidov) predlaže sledeću jednačinu ukoliko ne postoje merenja brzine vetra E = d 0. 8

42 Empirijske metode Formula grupe američkih autora E ( +. w ) ( e e ) = o s a

43 Empirijske metode McIlroy preporučuje sledeću formulu za proračun dnevnih suma isparavanja sa jezera umerenih veličina: 123 E = w2 (e s e 2 p ) E - isparavanje sa vodene površine (mm dan-1); p - srednji atmosferski pritisak (mmhg); w 2 -srednja dnevna brzina vetra na 2 m visine (m s-1); e s i e 2 - maksimalan i stvarni pritisak vodene pare na 2 m visine (mmhg).

44 Empirijske metode Slayter i McIlroy daju sledeću formulu takođe za proračun dnevnih suma isparavanja sa vodenih površina E ( +. w ) ( e e ) = o s a e a - stvaran pritisak vodene pare na nekoj visini iznad površine isparavanja (mb).

45 Empirijske metode Kuznjecov, Golubev i Fedorov razvili su jednačinu za proračun mesečnih suma isparavanja sa umerenih i velikih vodenih površina, poznatu u literaturi kao formula GGI: E = ( ) ( ) n. w e e 2 o E - isparavanje sa većih vodenih površina (mm mes); n - broj dana u mesecu (periodu izračunavanja); w 2 - srednja brzina vetra na 2 m (m s -1 ); e o - maksimalan pritisak vodene pare na temperaturi vodene površine (mb); e 2 - stvaran pritisak vodene pare na visini 2 m iznad jezera (mb). 2

46 Empirijske metode Rimš i Dončenko (1958) predložili su jednačinukojaje primenljiva i u uslovima neravnotežne stratifikacije, koja glasi E = n ( k w ) ( e e ) o 2 s E - suma isparavanja u periodu izračunavanja (mm (period)-1); n - broj dana u periodu izračunavanja; w 2 - srednja brzina vetra na 2 m visine (m s-1); k o - parametar koji zavisi od razlike Δt u temperaturi površine vode i vazduha e s i e -maksimalan i stvaran pritisak vodene pare (mmhg).

47 Empirijske metode Δt ( o C) k o

48 Empirijske metode U našoj hidrološkoj praksi formula Ivanova se najčešće se koristi za proračun isparavanja sa slobodne vodene površine. U originalnom vidu ima sledeći izraz E ( 25 + T ) ( U ) = E -mesečne sume isparavanja sa slobodne vodene površine T - srednja mesečna temperatura vazduha ( o C); U - srednja mesečna vlažnost vazduha (%

49 Empirijske metode Međutim, ova formula se kod nas često koristi za proračun isparavanja sa isparitelja klase A u malo izmenjenom obliku. Tako, na primer, za područje grada Beograda, jednačina Ivanova ima sledeći vid E = ( ) T ( 100 U)