ISPARAVANJE - EVAPORACIJA

Isparavanje

Definicija - isparavanje podrazumevaprelaz vode iz tečnog (ili čvrstog) u gasovitostanje (vode u paru) Za proces isparavanja neophodno je dapostoji

izvor vlage, gradijent protoka vodene pare između površinevode i atmosfere i izvor energije ili latentna toplota koja se dobija odSunca, iz zemlje, iz vazduha ili same vode

IsparavanjeIsparavanje sa vodene površine zavisi od

raspoložive energije, temperature vode i vazduha, deficita zasićenosti vazduha iznad vodene površine, brzine vetra, insolacije, atmosferskog pritiska i hemijskih osobina vode.

Proces isparavanja se dešava na bilo kojojtemperaturi vazduha. To je univerzalna pojava na svakom mestu na zemljinoj površini gde je atmosferanezasićena vodenom parom, a postoji voda koja je na raspolaganju

IsparavanjeGeneralno isparavanje zavisi, od klimatskihkarakteristika određenog područja. Kodvlažnih klima (humidnih) isparavanje je beznačajno, iz razloga što u atmosferi postojivelika količina vlage. Kod suvih (aridnih) klimaisparavanje 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 funkcijapadavina.

IsparavanjeRazlikuju se sledeća dva osnovna oblikaisparavanja:

Isparavanje sa slobodne vodene površineSumarno isparavanje (evapotranspiracija).

Sumarno isparavanje se zatim deli na:Isparavanje sa terenaIsparavanje sa biljaka (intercepcija)Isparavanje kroz biljke (transpiracija)

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 zaklonuII GRUPA – čine sudovi koji se postavljaju na vodene površine pod skoro istim uslovima kao što se nalazi voda na površiniIII 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 površineIV 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

Wild-ov ispariteljF = 250 cm2

h = 35 mm

je najstariji tip instrumenta koji je korišćen u našoj zemlji. Radi na principu vageNe daje zadovoljavajuće rezulate. Dobijeni podaci ne odgovarajustvarnim 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

Te~nost u cev~ici- destilaciona voda

Filtriraju}i papir1.5 cm 25 cm

Pishe-ov isparitelj

sastoji se od staklene cevi dužineoko 80 cm koja je savijena za180o pri dnu. Gornji kraj cevi je zatvoren. Cev je ispunjena destilovanomvodom do nultog podeoka skale, a na donjem kraju nalazi se otvorna koji se stavlja upijajući papirsa kojeg voda isparava. Postavlja se u meteorološkukućicu, a količina isparene vodese meri na graduisanomvertikalnom delu cevi.

plivaju}i temometar

5 cm

mera~ nivoa u sudu

25.4 cm

121.9 cm

Isparitelj klase ASastoji se od metalnog cilindričnogsuda prečnika 121 cm i dubine 25.5 cm koji se puni vodomSud je napravljen od pocinkovanoglima debljine 0.8 mm, a puni se vodomdo visine 5 cm ispod gornje ivice suda, koji je postavljen na impregniranodrveno postolje. Sastavni deo isparitelja je komora zaumirenje vode (mesingani cilindar), koja se postavlja na dnu sudaisparitelja, u blizini njegove severnestrane. Meri se sniženje nivoa vode, koja se usled isparavanja tokom određenogvremenskog perioda gubi iz posude. Merenje nivoa vrši se pomoću mikrometra (mikrometarskog zavrtnja).

II grupa – plivajući baseni

II grupu čine sudovikoji se postavljaju navodenoj površini "pod skoro istim uslovimapod kojima se nalazivoda na površini".

III grupa – manji ukopani baseni ili posude

Ovu grupu čine manji baseni ili posudeukopane na obali, pored velikih vodenihpovršina, sa većim ili manjim dubinama ispodili iznad površine terena, odnosno iznad iliispod vodene površine. Jedan od tipova instrumenata koji pripadaovoj grupi je isparitelj GGI-3000. To jecilindrična posuda, površine 300 cm2, sadnom u obliku kupe. Sud je ukopan u podlogu, dubina njegovog zida je 60 cm, a centar (temena kupe) 68.5 cm. Gornja ivicasuda je 7.5 cm iznad površine podloge.

25.5 cm

povr{ inazemlje

merni sud

komora za umirenje

R=5.04 m 7.5 cm

7.5 cm

8.5 cm

60 cm

10 cm

R=121 cm

R=61.8 cmpovr{ ina zemlje

ISPARITELJ KLASE A

ISPARITELJ GGI 3000BAZEN 20 m

Bazen WMOOd manjih bazena najčešće se koristi basen WMO. To je cilindrični sud sa ravnim dnom, prečnika 5 m, površine 20 m2 i dubine 2 m, koji je ukopan u podlogu, sa gornjom ivicom od 7.5 cm iznadpovršine podloge.

merni sud

komora za umirenje

BAZEN 20 m

povr{ina zemlje

R = 5.04 m 7.5 cm

IV grupa - lizimetri

IV grupu čine instrumenti koji mere isparavanje (evapotranspiraciju) određenog kvadra terena, izloženogsličnim uslovima kao i ostali teren. Oprema i instrumenti za merenje nalazese, uglavnom, ispod površine terena. Prema načinu merenja sadržaja vlage, lizimetre svrstavamo u dve osnovnegrupe: zapreminski i težinski.

ET = evapotranspiracija

P = padavine (meri se)

A = horizontalni presek

ΔV = pove}ane zapremine vode u sudu (meri se)

Iz = zapremina izva| ene vode (meri se)

A

(P-ET)A = DV+Iz

E T = P - ΔV + I zA

evapotran-spiracija

(padavine) - (upijanje)

meri se

Lizimetar

A

Const.

ul

iz

ET = evapotranspiracija

P = padavine

A = horizontalni presek

ul = zapremina ulivene vode

Iz = zapremina izva| ene vodeulivanjem, odnosno crpljenjem, odr`ava se konstantan nivo (C = const.)

E T = P +

B i l a n s:u l - i z

A

}

Lizimetar sa konstantnim nivoom podzemnih voda

Isparavanje sa slobodne vodene površine

U nedostatku merenih podataka, isparavanje sa slobodne vodenepovršine može se oceniti jednom odsledećih pet metoda

vodnog bilansaenergetskog (toplotnog) bilansaaerodinamičkog postupkaekstrapolacije merenja instrumentimaempirijskom metodom

Metoda vodnog bilansa

Zasniva se na osnovnoj jednačini vodnog bilansa za određeni vremenski interval. Zahteva precizno određivanje komponenti jednačine vodnog bilansa TTeškoće – 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.

Metoda vodnog bilansa

WQEQQP opodd Δ++=++

P - padavine prispele na površinu jezera,Qd - površinski doticaj,Qpod - neto podzemni doticaj ili oticaj,E - isparavanje sa slobodne vodene površine,Qo - površinski oticaj,ΔW - promena zapremine jezera za period diskretizacije

vremena Δt.

Metoda toplotnog bilansa

Bazira se na proceni svih izvora ulazne i izlazne toplotne energije u nekom prostoru i promeni akumulisane energije u tom prostoruSastoji 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.

Metoda toplotnog bilansaEnergija koju voda dobija od sunčeve radijacije zavisi od

Nagiba sunčevih zrakaIzloženosti površineOblačnostiUticaja atmosfere na apsorpciju i odbijanje zrakaTrajanje sunčevih danaProcena odbijene energije

Metoda toplotnog bilansa

Na kraju atmosfere 1 cm2 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 418.68 J do 2930.16 J na cm2/dan

Metoda toplotnog bilansa

Primenjuju se zakoni o održanju energije po obrascu

E – IsparavanjeU - radijacija po cm2 horizontalne površineI – odbijena radijacija na istoj granici kao UA – akumulisana toplota u vodi na jedinici površine do pune

dubine vodeG – gubitci toplote kroz zidove sudova ili kao primljena i

izgubljena toplota od vode koja prelazi kroz jezeroV – toplota za isparavanje vodeR – Bowenov odnos između toplote odnete konvekcijom i toplote

odnete vodenom parom

)1( RVGAIUE

+−−−

=

Metoda toplotnog bilansa

Parametar R se određuje

760B

ee)TT(46.0R

zs

zv−−

=

Tv – temperatura površine vodeTz – temperatura vazduhaes – pritisak zasićene vodene pareez – momentalni pritisak vodene pare u vazduhuB – barometarski pritisak.

Aerodinamički postupakBazira se na postavci da je transport vodene pare sa vodene površine u suštini turbulentan proces kojizavisi od meteoroloških fenomena. Postoje mnoge aerodinamičke jednačine, biloteorijske bilo empirijske, pomoću kojih se definiše ova veza. Neke od njih su veoma složene i sa velikim brojemmeteoroloških ulaznih podataka, dok su drugejednostavne i sa podacima o brzini vetra, pritisku i temperaturi. Uglavnom svi obrasci i teorijske analize polaze odfizičkih zakona primenjenih u aerodinamici i dinamičkoj meteorologiji.

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 slobodnevodene površine

νhw

)Te

Te(w

CE h

h

v

v

⋅

−⋅=

Aerodinamički postupak

C - stalni eksperimentalni koeficijent,w - brzina vetra na višoj tački h,ev - pritisak zasićene vodene pare pri temperaturi

vode Tv,Tv - temperatura vode,Th - temperatura vazduha na višoj tački h,eh - stvarni pritisak vodene pare na višoj tački h,h - visina iznad terena na kojoj se mere eh, Th i w,ν- kinematski viskozitet vazduha koji zavisi od

temperature i pritiska vazduha.

Gde su

Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima

U praksi se često koristi za ocenu godišnjegisparavanja sa jezera i akumulacija. To se činijednostavnim množenjem isparavanjaizmerenog na isparitelju sa nekim prelaznimempirijskim koeficijentima. Merenjem isparavanja u sudovima ili manjimbasenima dobija se određena slika o isparavanju sa vodenih površina na određenim mestima i u datim klimatskimuslovima.

Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima

Isparavanje u prirodi je znatno manje negoisparavanje u manjim sudovima.

Sa povećanjem površine sudova ili basenaizmereno isparavanje se sve više približava isparavanju sa većih vodenih površina.

Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima

Zbog ovoga upotreba sudova ili manjihbasena zahteva dve korekcije.

Prva korekcija je između sudova raznihtipova po veličini i po drugim osobinama. Druga korekcija je zbog velike disproporcijeizmeđu 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

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

s

o

EER =

gde suEo isparavanje sa velike vodene površineEs isparavanje sa sudova i malih basena

Konstantan, a R < 1.0

Prema Poljakovu ovaj odnos je funkcija deficita vlažnosti vazduha d

3241d

.R =

Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima

Ekstrapolacija merenja isparavanja instrumentima

U operativnoj hidrološkoj praksi postoji niz metoda za određivanje koeficijenta redukcije R. Jedna odnajprostijih je formula Webba, koja glasi

Aa

jj E

eeee

.E ⋅−

−⋅=

4

4501

Ej - isparavanje sa jezera (mm),ej - maksimalan pritisak vodene pare na površini jezera,

pri maksimalnoj temperaturi vode (mb), ea - maksimalan pritisak vodene pare na površini vode

isparitelja klase A, pri maksimalnoj temperaturi vode (mb).e4 - pritisak vodene pare na visini 4 m u 15 časova (mb),EA - isparavanje izmereno na isparitelju klase A (mm).

Empirijske metode

U hidrološkoj praksi koriste se empirijskeformule za proračun isparavanja sa slobodnevodene površine. Sve se sastoje od uspostavljanja zavisnostiisparavanja u funkciji merenih meteorološkihveličina. Sve ove formule polaze od pretpostavke da se isparavanje sastoji iz sume "difuznog" (Ed) i vetrovog (Ev) isparavanja

Empirijske metode

wdbdawBAEEE vd ⋅⋅+⋅=⋅+=+=gde jeA i B konstante koje su funkcije deficita vlažnosti (d) i drugih

koeficijenata (a i b)w brzina vetraEd je isparavanje u mirnom vazduhu i sa difuznim kretanjem vlage u

vazduhu sa konvektivnim širenjem i izduživanjem vazduha.

Podela isparavanja na dva dela nema fizičkog opravdanja i zbog toga je najbolje izraziti isparavanje kao

( ) dwbaE ⋅⋅+=

Empirijske metode

( ) dwE ⋅⋅+= 315

( ) dwRE ⋅⋅+⋅= 315

Obrazac Mayer-a – mesečne sume isparavanja

Obrazac Mayer-a sa popravkom Tihomirova - koriste se dnevni podaci deficita vlažnosti i vetra na 2 m visine. Kako je R < 1.0 sledi

Empirijske metode

32

32

32

d)w2.01(6.18

d)w73.36.18(d)wba(E

⋅⋅+⋅

=⋅⋅+=⋅⋅+=

Formula Poljakova – mesečne sume isparavanja

Empirijske metodeFormula Davidova

( )w.d.E . ⋅+⋅⋅= 12501911 810

80519 .d.E ⋅=

Isti autor (Davidov) predlaže sledeću jednačinu ukoliko ne postoje merenja brzine vetra

Empirijske metode

Formula grupe američkih autora

( ) ( )aso eew..E −⋅⋅+⋅= 2701300

Empirijske metode

• McIlroy preporučuje sledeću formulu za proračun dnevnih suma isparavanja sa jezera umerenih veličina:

)ee(wp

123E 2s2 −⋅⋅=

E - isparavanje sa vodene površine (mm dan-1);p - srednji atmosferski pritisak (mmHg);w2 -srednja dnevna brzina vetra na 2 m visine (m s-1);es i e2 - maksimalan i stvarni pritisak vodene pare na 2 m

visine (mmHg).

Empirijske metode• Slayter i McIlroy daju sledeću formulu takođe za proračun

dnevnih suma isparavanja sa vodenih površina

( ) ( )aso eew..E −⋅⋅+⋅= 2701300ea - stvaran pritisak vodene pare na nekoj visini iznad

površine isparavanja (mb).

Empirijske metode• Kuznjecov, Golubev i Fedorov razvili su jednačinu za proračun mesečnih suma isparavanja sa umerenih i velikihvodenih površina, poznatu u literaturi kao formula GGI:

( ) ( )227201140 eew.n.E o −⋅⋅+⋅⋅=

E - isparavanje sa većih vodenih površina (mm mes);n - broj dana u mesecu (periodu izračunavanja);w2 - srednja brzina vetra na 2 m (m s-1);eo - maksimalan pritisak vodene pare na temperaturi

vodene površine (mb);e2 - stvaran pritisak vodene pare na visini 2 m iznad jezera (mb).

Empirijske metode• Rimš i Dončenko (1958) predložili su jednačinu koja jeprimenljiva i u uslovima neravnotežne stratifikacije, kojaglasi

( ) ( )eewkn104.0E s2o −⋅−⋅⋅=

E - suma isparavanja u periodu izračunavanja (mm (period)-1);n - broj dana u periodu izračunavanja;w2 - srednja brzina vetra na 2 m visine (m s-1);ko - parametar koji zavisi od razlike Δt u temperaturi površine

vode i vazduhaes i e -maksimalan i stvaran pritisak vodene pare (mmHg).

Empirijske metode

4.254.003.503.002.401.751.50ko

25201510521Δt (oC)

Empirijske metode• U našoj hidrološkoj praksi formula Ivanova se najčešće se koristi za proračun isparavanja sa slobodne vodenepovršine.

U originalnom vidu ima sledeći izraz

( ) ( )UT.E −⋅+⋅= 1002500180E -mesečne sume isparavanja sa slobodne vodene površineT - srednja mesečna temperatura vazduha (oC); U - srednja mesečna vlažnost vazduha (%

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

( ) ( )U100T25000805.0E 29.2 −⋅+⋅=