+ All Categories
Home > Documents > Evaporation Principles

Evaporation Principles

Date post: 07-Aug-2018
Category:
Upload: darren-pinto
View: 241 times
Download: 0 times
Share this document with a friend

of 15

Transcript
  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    1/37

    ESTIMATING EVAPORATION

     

    FROM WATER SURFACES

    (With emphasis on shallow water 

    bodies) 

    1ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    2/37

    •  

    •   Estimating methods

     include:

     –  pan coe c ent  x  measure   pan evaporat on

     –  water balance

     –  energy balance

     –  mass transfer

     –  combination techniques

    •   Emphasis will be practical methods

    2ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    3/37

    •   –   th 

    •   Dalton (1802),

     E  =  f( ū ) (eo – ea )

    •   Bowen  1926 , t e Bowen ratio, t e ratio o 

    sensible heat

     to

     latent

     heat

     gradients

     ( Δt/  Δe)

    •   Applications were made to lake evaporation 

    by Cummings and Richardson 1927; McEwen 

    1930

    3ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    4/37

     

    •  

    •   Incoming solar

     radiation

     is

     the

     main

     source

    •   In contrast to  an , not a   net so ar ra iation 

    is absorbed

     on

     the

     surface

    •   In pure water, about 70% is adsorbed in the 

    top 5 m (16 ft)

    •   Solar radiation

     adsorbed

     below

     the

     surface

     is

     

    “stored ener ”

    4ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    5/37

     

    •  

    be more

     difficult

     than

     estimating

     soil

     heat

     flux (G)

    •   Part of  solar radiation may penetrate to great 

    depths depending

     on

     the

     clarity

     of 

     the

     water

    •   Stored energy affects the evaporation rate

    •   Exam l t m rat r r fil in wat r: 

     –  profiles during increasing solar cycle

     –   rofiles durin   decreasin   solar c cle

    5ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    6/37

    Solar Radiation Penetrates Deep in Water

    Evaporation pans are two Evaporation pans are two 

    shallow and hold too shallow and hold too 

    much “warmth” at themuch “warmth” at the 

    surface. 

    surface. 

    Therefore, they can Therefore, they can 

    overestimate the overestimate the 

    evaporation from large evaporation from large 

    reservoirs and lakes.reservoirs and lakes.

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    7/37

     

    •   ,  ,   ,   . 

    m (190

     ft)

     deep,

     average

     40

     m

     

    •   Thermal profiles

     during

     increasing

     Rs

    •   Thermal profiles during decreasing Rs

    •   Exam le tem eratures b   de th and time

    •   Reason for studying evaporation—improve 

    7ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    8/37

    LakeBerryessa

    LakeBerryessa

    California, USACalifornia, USA

    LB

    05LB10

    LB04

    LB12

    LB03

    LB 06

    (New-USBRWS)

    LB07A-E

    LB 01

    -

    LB02

    Portable WS

    LB 08

    (Dam)LB 09

    (USBR)

    LB 11

    -WS

    8ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    9/37

    Temperature Profile Data - 7/10/03

    0

    10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

    -10

    -5

    -20

    -15

       D

       e   p   t   h ,   m

    -30

    -25

    Temperature, C

    LB 01 LB 02 LB 03 LB 04 LB 05 Avg

    9ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    10/37

    0

    10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

    -5

    -15

    -

       D   e   p   t   h ,

       m

    -25

    -

    -30Temperature, C

     

    10ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    11/37

    30.0

    2005

    20.0

    25.0

    15.0

       W  a   t

      e  r   t  e  m  p ,

    10.0

    5.0

       1   /   1

       2   /   1

       3   /   1

       4   /   1

       5   /   1

       6   /   1

       7   /   1

       8   /   1

       9   /   1

       1   0   /   1

       1   1   /   1

       1   2   /   1

    0.15 m 5.2 m 7.6 m 12.8 22.6 m

    11ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    12/37

     

    •   The pan site was moved from the original site

    •   Measured 

    pan 

    evaporation 

     x  original 

    coefficients 

    underestimated reservoir evaporation and inflow

     

    inflows late in the summer

    •   The obvious

     solution

      – move

     the

     pan

     site,

     and

     rec ec   t e pan coe c ents

    •   Data were needed to  justify to the USBR the need to chan e the  an site

    •   View of 

     the

     evaporation

     pan

     site

    •   Estimated rate of  energy storage

    12ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    13/37

     

    13ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    14/37

     

    15.0

    5.0

    10.0

      -   1

    -5.0

    0.0

       Q   t ,

       M   J  m  -   2   d  a

    -10.0

    -1 .

       M  -   0

       3

       J  -   0

       3

       S  -   0

       3

       N  -   0

       3

       J  -   0

       4

       M  -   0

       4

       M  -   0

       4

       J  -   0

       4

       S  -   0

       4

       N  -   0

       4

       J  -   0

       5

       M  -   0

       5

       M  -   0

       5

       J  -   0

       5

       S  -   0

       5

       N  -   0

       5

       J  -   0

       6

    - - - - - - -

    14ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    15/37

     

    •   Maximum ener   stora e rates of  5 to 10 MJ m‐2 

    d‐1

    to a depth

     of 

     25

     m

     measured

     in

     Lake

     Berryessa and about 10 MJ m‐2 d‐1 to a depth of  45 m measured in Lake Mead

    •   Water surface

     temperatures

     reached

     a max mum  n  u y  n  an   n  ugus  n  a e 

    Mead (lag is related to depth of  water)

     

    •   Advected energy can be large in reservoirs on 

    15ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    16/37

    8.0

    9.0

       d

      -   1

    5.0

    6.0

    7.0

       a   t   i   o   n ,   m

       m

     

    3.0

    4.0

       t   e   d

        e   v   a   p   o

    0.0

    1.0

    2.0

       E   s   t   i   m

    Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

    Davis-Parker Parker-Imperial Imperial-Morelos

    16ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    17/37

    30.0

    35.0 

    25.0

    15.0

    20.0

         °     C

    5.0

    10.0

    0.0

    J‐05 F‐05 M‐05 A‐05 M‐05 J‐05 J‐05 A‐05 S‐05 O‐05 N‐05 D‐05

    12‐Mar‐2010 ET Workshop 17

    Surface Temp

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    18/37

     

    •  

    •   Aerodynamic methods

     –  use   ma n y on  arge  a es an   reservo rs

    •   Example  – American

     Falls

     reservoir

     in

     Idaho

     by

     Allen et al.

     –  estimates using water and air temperature

     –  estimated evaporation

     relative

     to

     

    ET r 

    •   Why the low summer rate? Cold inflow water?

    12‐Mar‐2010 ET Workshop 18

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    19/37

    Temperature of  water from American Falls outfall follows Temperature of  

    Air

    Year 2000

     American Falls Tem eratures

    15

    20

    25

    30

      u  r  e ,

       C

    2004

    -5

    0

    510

       T  e  m  p  e  r

      a

    Year 2004-

    24-Feb09-Mar 

    23-Mar 

    06-Apr 26-Apr 

    11-May

    25-May09-Jun

    22-Jun

    07-Jul20-Jul

    03-Aug

    17-Aug01-Sep

    14-Sep

    28-Sep12-Oct

    26-Oct

    09-Nov22-Nov

    07-Dec

    20-Dec

    Date

    Water Temp 10 day mean Air Temp

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    20/37

    Evaporation ratio for Alfalfa 

     American Falls, Evaporation/ETr ratios

    2004

    0.70.80.9

       /   E   T  r

    0.4

    0.50.6

      p  o

      r  a   t   i  o  n

    00.10.2.

       E  v  a

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Month

    ETrF from Am.Falls study 2004 Aerodynamic ETrF from Tmean

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    21/37

     

    •  

     –  Equilibrium temperature

     (Edlinger et

     al.

     1968)

     –   

    (1974), Fraederich et al. (1977), de Bruin (1982), and 

    Finch (2001)

    •   Finite difference model (Finch and Gash, 2002)

    •   Pan eva oration  x    an coefficient

    •   Energy balance

     and

     combination

     methods

    •   o   w 

    21ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    22/37

     

    •   Pan coefficient studies

    •   Rohwer (1931)

      – a

     classic

     detailed

     study

     conducted on the CSU campus

    •   Rohwer compared evaporation from a Class A 

    pan and

     an

     85

    ‐diameter

     (26

     m)

     reservoir

    •   Young (1947) also did a classic study in CA

    •   Others: Kohler (1954); Kohler et al. (1959); 

    Farnsworth et

     al.

     (1982)

    •   Fetch effects and obstructions (fixed & variable)

    22ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    23/37

    Ratio of Lake Evaporation to Class Pan Evaporation

    1.20

    0.80

    1.00

       p   a   n

      -   1

    0.40

    0.60

       k   e

       e   v   a   p

       E

    0.00

    0.20   L

    Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

    Lake Elsinore Lake Okeechobee

    23ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    24/37

    1

    0.8

    0.9

    0.6

    0.7

    y = ‐0.000x3 + 0.016x2 ‐ 0.056x + 0.623

    0.4

    0.5

    0.2

    0.3

    Ratio ‐ Reservoir to Class A pan, Apr‐Nov ‐ Rohwer 1931

    0

    0.1

    3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    24ET Workshop12‐Mar‐2010

    . . 

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    25/37

    30.0

    25.0

     ‐

    20.0

         C

    15.0

         T    e    m    p ,

    5.0

    .

    0.0

    Sep Oct Nov Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov

    25ET Workshop12‐Mar‐2010

    Air temp‐1‐inch Water temp

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    26/37

    12.0

    14.0

    8.0

    10.0

     ,  m  m    d

       1

    Jun-Jul

    6.0

       E  v  a  p  o  r  a   t   i  o  n

    Sep

    Oct

    2.0

    .

    Nov

    Dec

    0.0

    0 1 10 100 1000

    Upwind fetch of irr igated grass, m

    26ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    27/37

     –  buildings

     –   

     –  other (shown in previous example)

    •   ar a e

     –  adjacent corn field (most common), can have a 

    ma or e ec

     –  weeds and other adjacent crops

    12‐Mar‐2010 ET Workshop 27

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    28/37

     

    •   Aerod namic  used mainl   on lar e water bodies

    •   Energy balance

     (requires

     detailed

     measurements)

    •   Combination methods: Penman (1948, 1956, 1963); Penman‐Monteith (1965); Priestley‐Taylor (1972)

    •   All require estimating net radiation using standard 

    difficult for deep water bodies)

    •   Reference ET x coefficient (E  = ET   x K   )

     –   for shallow

     water

     bodies

     –   for ice‐free water bodies

    28ET Workshop12‐Mar‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    29/37

     

    •  

    •   Example rates

     of 

     storage

     –  pea   rates can range  rom  to  m‐ ‐

     –  equivalent to 2 to 4 mm d‐1 evaporation

    •   Example rates calculated from lake studies

     –  Pretty Lake in Indiana

     –  Williams Lake

     in

     Minnesota

    12‐Mar

    ‐2010 ET

     Workshop 29

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    30/37

    Reported Energy Storage Rates - Pretty Lake (63-65) & Wil li ams Lake (82-86)

    10.0

    15.0

      -   1

    0.0

    5.0

       t ,   M

       J

       m

      -   2 

    -10.0

    -5.0   Q

    Day of Year 

    Prett Lake Williams Lake Pol . Prett Lake Pol . Williams Lake

    30ET Workshop12

    ‐Mar

    ‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    31/37

    •   ‐ . 

    •   ET ref   x  coefficient for

     open

     ice

    ‐free

     water

     (K w )

    •   w ere ET ref  is  or s ort grass  ET os   , mm ‐

    •   First check

     input

     weather

     data

     for

     quality

    0.408 Δ(Rn ‐G) + γ [900/(T + 273)] u2 (es ‐ea)

    ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐re 

    Δ + γ (1 + 0.34 u2)

    31ET Workshop12

    ‐Mar

    ‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    32/37

     – 

    •  

     –  Elevation 2297

     m

     (7536

     ft)

     above

     sea

     level

     –    ,  .  

    •   Estimated energy storage

    •   Estimated evaporation

     –   May‐October

     –  ET ref  x K w  also

     agrees

     with

     PM

     in

     November

    •   Results  Ma   ‐October

    32ET Workshop12

    ‐Mar

    ‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    33/37

    0.5

    1.0

    0.0   m

       2    d

      -   1

    -0.5   Q   t ,

       M

       J

    -1.5

    -1.0

    Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

    Est-Qt

    33ET Workshop12

    ‐Mar

    ‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    34/37

    8.0

    Home Lake, Alamosa, CO

    7.0

    .

    5.0

    .

     ,  m  m   d

      -   1

    3.0

    4.0

       i  m  a   t  e   d  e  v  a

    1.0

    2.0   E  s   t

    0.0

     Apr May Jun Jul Aug Sep Oct

    E - PM E = ETo x 1.10

    34ET Workshop12

    ‐Mar

    ‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    35/37

    ROHWER’S CLASS A PAN 

    COEFFICIENTS

    •  p  

    •   Based on

     mean

     ratios

     (polynomial)

     –    pr  . ugust  .

     –  May 0.63 September 0.78

     –  June 0.67 October 0.77

     –  July 0.71

     –  Average, April

    ‐October 0.70

    35ET Workshop12

    ‐Mar

    ‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    36/37

    ESTIMATED EVAPORATION 

    HOME LAKE

      – MAY

    ‐OCT.

    •   ‐   re  

    •   mm

    •   894  906 890 892

    •   (35.2) (35.7) (35.0) (35.1)

    •   Percent of  PM

    •   100 101 100 99.8

    •   All  ive similar values for Ma   throu h October

    36ET Workshop12

    ‐Mar

    ‐2010

  • 8/20/2019 Evaporation Principles

    37/37

    ESTIMATED EVAPORATION 

    LAKE BERRYESSA

     3 YR

     AVG

    •   PM Penman P‐T  USBR ori inal

    •   mm•   (inches)

    •   1,325 1,425 1,277 955

    •   (52.2) (56.1) (50.3) (37.7)•   100 108 96 72

    •   The same Rn and Qt  used for first three methods

    •   a ues 

    con rm 

    e ects 

    poor 

    pan 

    s te•   P‐T equation does not have wind speed

    37ET Workshop12

    ‐Mar

    ‐2010


Recommended