1.4 فرآیند تبخیر

1.1.4 تعریف

تبخیر (E)، از نظر هیدرولوژیکی، فرایندی است که در آن آب از سطح آبهای آزاد (اقیانوس ها، دریاها، دریاچه ها و رودخانه ها)، از خاک بدون پوشش و از سطوح پوشیده شده از برف و یخچال ها در حالت بخار به جو می رود. [Musy, 2001] تعرق فرآیندی است که در آن کسری از آب جذب شده توسط گیاهان در حالت بخار در جو آزاد می شود.

تبخیر و تعرق (ET) مجموع آن دو فرآیند، تبخیر و تعرق است. بنابراین تبخیر و تعرق عبارت است از مقدار کل آب، به شکل بخار، منتقل شده از اتمسفر، هیدروسفر، بیوسفر، لیتوسفر و آنتروپوسفر.

جایی که:

ET تبخیر و تعرق [واحد ارتفاع] یا [واحد حجم / واحد زمان]

E_w تبخیر از سطح آب [واحد ارتفاع] یا [واحد حجم / واحد زمان]

E_t تعرق تولید شده توسط فرآیند بیولوژیکی پوشش گیاهی [واحد ارتفاع] یا [واحد حجم / واحد زمان]

E_s تبخیر از سطح خاک بدون پوشش گیاهی [واحد ارتفاع] یا [واحد حجم / واحد زمان]

E_i تبخیر مقدار بارندگی که توسط پوشش گیاهی و همچنین توسط سازه [واحد ارتفاع] یا [واحد حجم / واحد زمان]

E_d تبخیر نسبی مقدار باران جمع شده در فرو رفتگی های زمین بدون امکان نفوذ [واحد ارتفاع] یا [واحد حجم / واحد زمان]

E_g به عنوان مثال تبخیر از سطح برف و یخچال [واحد ارتفاع] یا [واحد حجم / واحد زمان]

شکل 1.4 اجزای تبخیر و تعرق

فرآیندهای تبخیر و تبخیر و تعرق نقش اصلی را در چرخه هیدرولوژیکی و حفظ تعادل آب و هوایی در سطح سیاره ایفا می کنند. نقش تبخیر و تبخیر و تعرق با این واقعیت توضیح داده می شود که این فرایندها با یک مصرف انرژی مهم مرتبط هستند.

2.1.4 روند فیزیکی تبخیر

برای تبخیر وجود جریان آب فرض می شود. آب از روی سطوح آزاد آزاد مانند زمین، دریاچه ها، مخازن، نهرهای باز و همچنین از خاکهای پوشیده شده از گیاهان، درختان و غیره تبخیر می شود.

تبخیر طبیعی فرایند تبادل انرژی است. ورودی انرژی برای ادامه تبخیر لازم است. به مقدار انرژی لازم برای شروع انتقال از حالت مایع به حالت بخار، گرمای نهان تبخیر (L_e) گفته می شود.

با جریان مداوم جریان تبخیر ادامه خواهد یافت، و تجمع مولکولهایی در حالت بخار در رابط هوا و آب ایجاد خواهد شد. همانطور که از فرمول گاز مشخص است، در سرعت و دما ثابت فشار گاز با تعداد مولکول جمع شده در سطح آب افزایش می یابد. هنگامی که پدیده تراکم ظاهر می شود، این افزایش بخارات آب (e) تا پایان ادامه خواهد داشت. در یک وضعیت فرضی، که سرعت چگالش برابر با میزان تبخیر باشد، تعادل وجود خواهد داشت و مولکول ها لایه هوا را از سطح آب به هر دو روش سوراخ می کنند، لایه ای که حداکثر فشار بخار را دارد (e_s).

در حقیقت این وضعیت تعادل نمی تواند وجود داشته باشد، زیرا حجم هوا در مقایسه با حجم آب نامحدود است. به همین دلیل غلظت مولکولها از سطح آب به جو متفاوت خواهد بود و گردش در یک شیب مشخص فشار بخار (e) با توجه به ارتفاع (z) بالای سطح مایع هوا انجام می شود.

اگر K را به عنوان ضریب انتقال بخارات یادداشت کنیم، می توان تبخیر را به این روش بیان کرد:

تأثیر باد بر روی تبخیر هنگامی آشکار می شود که انتشار آشفته باعث افزایش ضریب انتقال بخار K. می شود. نمودار شکل 2.4 بیانگر اثر ترکیبی دما، فشار هوا، پایداری هوا و سایر عوامل در تغییر با ارتفاع است.

شکل 2.4 همبستگی بین تبخیر روزانه و دما و ارتفاع (Serban، Stanescu، Roman، 1989)

فشار بخار (e) در فشار ثابت هوا، با توجه به دما در شکل 3.4 ارائه شده است.

شکل 3.4 همبستگی بین فشار بخار آب و درجه حرارت. (Serban، Stanescu، Roman، 1989)

دالتون (1802)، پس از مطالعه این پدیده، قانونی را وضع کرد که میزان تبخیر از سطح آب را بسته به کمبود اشباع هوا (مقدار آب در هوا e_s - e_a  که می تواند ذخیره کند) و سرعت باد (u) بیان می کند. این قانون عبارت زیر را دارد (Musy، 2001):

جایی که:

E سرعت تبخیر (سرعت تبخیر) به طور مشخص با زمان T [واحد ارتفاع / واحد زمان]

f_u ثابت تناسب که تأثیر باد در فرایند تبخیر را در نظر می گیرد

e_s فشار بخار در حالت اشباع، در دمای سطح تبخیر

e_a فشار بخار بر فاصله زمانی T

فشار بخار در حالت اشباع را می توان با رابطه بیان کرد:

جایی که از نتایج P، فشار بخارات آب در حالت طبیعی و دمای سطح تبخیر در درجه سانتیگراد بیان می شود (Musy ، 2001).

3.1.4 عوامل هواشناسی

عوامل هواشناسی موثر در روند تبخیر عبارتند از: مقدار موجود آب، تابش خورشید، فشار هوا و باد، رطوبت خاص و نسبی هوا و همچنین دمای هوا و آب.

1.3.1.4 مقدار آب موجود

اساساً، برای پدیده تبخیر، تأمین آب لازم است.

2.3.1.4 تابش خورشیدی

مقدار آب تبخیر شده از یک سطح عمدتا به مقدار گرمی که سطح از خورشید دریافت می کند بستگی دارد. مقدار گرمای دریافت شده توسط یک سطح بسته به شرایط جغرافیایی (شیب عرض) و ارتفاع (شیب ارتفاع) که سطح در آن قرار دارد متناوب است (Musy, 2001). این تبادل گرما بین جو ، سطح خاک و سطح آب از طریق همرفت و هدایت گرما حاصل می شود. این تبادل انرژی در تمام نقاط با انتقال به جو آب تبخیر، که از طریق چگالش به عنوان بارندگی برمی گردد، جبران می شود. این مبادلات حرارتی چرخه هیدرولوژیکی را حفظ می کنند. تابش خورشیدی دریافت شده توسط سطح خاک در طی یک روز با آسمان صاف را می توان با استفاده از رابطه بیان کرد:

جایی که:

R_A مقدار آنگوت تابش خورشید است

n/D نرخ ابری شدن روز

 ضرایب a ،b، در رابطه پنمن a = 0.18 و b = 0.55

بخشی از تابش خورشید دریافت شده توسط زمین (R_c) مانند امواج تابش کوتاه منعکس می شود ، ضریب انعکاس r = 0.06 است.

مقدار خالص تابش جذب شده، R_n منجر به رابطه می شود:

کسری از مقدار خالص تابش جذب شده توسط سطح زمین در طول شبهای با آسمان صاف از بین می رود. از نظر تجربی، شار خالص در خارج (R_B) را می توان به شرح زیر بیان کرد:

جایی که:

 σ ثابت و ثابت Lummer و Pringsheim برابر (117.74×10-9 [g·cal/cm²·day])

T_a درجه حرارت مطلق (1t °C + 273 [K])

u فشار بخارات هوا [mm Hg]

 ضرایب c ،d ،e ،f، رابطه Beuman c = 0.47 ،d = 0.077 ،e = 0.20 ،f = 0.80

در نتیجه، مقدار خالص انرژی (H) که سرانجام بر روی سطح آب باقی می ماند با این رابطه داده می شود:

3.3.1.4 فشار اتمسفر و باد (حرکت هوا)

الگوی آب و هوایی نشان داده شده توسط فشار جو بر تبخیر تأثیر می گذارد. لبه یک آنتی سیکلون شرایط ایده آل برای تبخیر را فراهم می کند به شرطی که برخی از حرکت هوا همراه با فشار هوا بالا کار کند. فشار اتمسفر کم معمولاً با هوایی همراه است که در آن هوا با بخار آب شارژ می شود و شرایط مساعد برای کمک به تبخیر نیست.

باد نقش مهمی در روند تبخیر دارد. مقدار هوای خشک با جایگزینی هوای مرطوب جمع شده در بالای سطح تبخیر ، افزایش می یابد [Shaw, 1988].

4.3.1.4 دمای آب و هوا و رطوبت هوا

دمای هوا و سطح تبخیر عامل مهمی در تبخیر است. هرچه دمای هوا بیشتر باشد ، بخار آب بیشتری می تواند نگه دارد و به همین ترتیب ، اگر دمای تبخیر آب زیاد باشد ، سریعتر بخار می شود. بنابراین میزان تبخیر در مناطق گرمسیری زیاد است و در مناطق قطبی کم است. تضادهای مشابهی بین مقادیر تبخیر تابستان و زمستان در آب و هوای معتدل وجود دارد.

ظرفیت بخار آب هوا با دما ارتباط مستقیم دارد. تبخیر به کمبود اشباع هوا بستگی دارد که با اختلاف فشار بخار اشباع در دمای سطح و فشار بخار واقعی هوا ایجاد می شود.

از این رو تبخیر بیشتر در مناطق داخلی که هوا تمایل به خشک تر شدن دارد نسبت به مناطق ساحلی با هوای مرطوب از اقیانوس ها اتفاق می افتد [Shaw, 1988].

4.1.4 عوامل فیزیکی

عوامل فیزیکی که تداخل عمده ای در روند تبخیر دارند عبارتند از: عمق سطح آب آزاد، شکل سطح آب آزاد و شوری آب.

عمق سطح آب باز: این ویژگی نقش مهمی در ذخیره انرژی دارد. تفاوت اساسی بین سطح آب کم عمق و یک سطح آب عمیق از حساسیت سطح کم عمق به تغییرات آب و هوایی فصلی ناشی می شود. یک سطح آب کم عمق تغییرات هواشناسی را از نزدیک دنبال می کند و سطح آبهای عمیق با تاخیر دمایی مهم پاسخی متفاوت به مبادلات آب و هوایی ارائه می دهد [Musy, 2001].

شکل سطح آب باز: ماهیت سطح تبخیر با اصلاح الگوی باد بر تبخیر تأثیر می گذارد. در سطح ناهموار و نامنظم، اصطکاک سرعت باد را کاهش می دهد اما تمایل به ایجاد تلاطم دارد، بنابراین با یک جز عمودی ناشی از باد، تبخیر بیشتر می شود.

شوری آب: افزایش غلظت شوری به میزان 1٪ باعث کاهش تبخیر با کاهش فشار آب 1٪ می شود. این فشار کاهش یافته مستقیماً با غلظت محلول نمکی متناسب است [Musy, 2001].

دسترسی به عناوین دیگر محتوای مرتبط با این بخش

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح