衡水湖水面蒸發(fā)量計(jì)算

張學(xué)知

（河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北 衡水 053000）

1 衡水湖概況

衡水湖，俗稱(chēng)“千頃洼”，又叫“千頃洼水庫(kù)”，是華北平原第二大淡水湖，面積與蓄水規(guī)模僅次于白洋淀。

迄今為止，衡水湖已修建成為一個(gè)能引、能蓄、能排的綜合利用蓄水工程，從環(huán)境演變的階段來(lái)看，衡水湖形成今日的濕地生態(tài)環(huán)境，具有自然性、稀有性、典型性和生態(tài)脆弱等特點(diǎn)［1］。

1958年，冀縣對(duì)衡水湖重新治理，在洼內(nèi)筑西圍堤，搞東洼蓄水灌溉，但因工程不配套，提水能力差，長(zhǎng)期高水位蓄水致使周?chē)临|(zhì)鹽漬化，故于1962年放水還耕。1972年冀縣修建東洼水庫(kù)。1974年衡水地區(qū)又組織冀縣、棗強(qiáng)、武邑、衡水四縣重修東洼。1977年擴(kuò)建西洼，到1978年為止，衡水湖被建成一個(gè)能引、能蓄、能排的成套蓄水工程。

2 水面蒸發(fā)量觀測(cè)與計(jì)算方法分析

水體的蒸發(fā)是自然界水分循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在水文水利計(jì)算、水利工程調(diào)度運(yùn)用及水資源的開(kāi)發(fā)利用中都需要蒸發(fā)資料［2］。特別在水源不足的情況下，為水資源的合理開(kāi)發(fā)利用，對(duì)水體蒸發(fā)的研究將日益迫切。水體蒸發(fā)量多數(shù)情況下通過(guò)間接資料分析計(jì)算取得［3］。目前我國(guó)主要采用蒸發(fā)器（池）直接觀測(cè)陸上水面蒸發(fā)量，再換算為大水體的水面蒸發(fā)量，也有在水庫(kù)、湖泊設(shè)立漂浮蒸發(fā)器直接觀測(cè)水面蒸發(fā)量的，另外還有用經(jīng)驗(yàn)公式、水量平衡、熱量平衡及亂流擴(kuò)散等方法取得蒸發(fā)資料。

水面蒸發(fā)測(cè)定方法采用器測(cè)法：20cm口徑蒸發(fā)器、80cm口徑套盆蒸發(fā)器、E601蒸發(fā)器、水上漂浮蒸發(fā)器、20m2蒸發(fā)池和100m2大型蒸發(fā)池［4］。

由于蒸發(fā)器本身及其周?chē)諝獾膭?dòng)力和熱力條件與天然水體有所不同，蒸發(fā)器測(cè)得的蒸發(fā)量要比湖泊、水庫(kù)等實(shí)際水體的蒸發(fā)量大。因此，蒸發(fā)器的觀測(cè)值必須乘一個(gè)折減系數(shù)后，才能作為天然水體的蒸發(fā)量。

小型蒸發(fā)器觀測(cè)到的蒸發(fā)量，與天然水體表面上的蒸發(fā)量仍有一定差別。觀測(cè)資料表明，當(dāng)蒸發(fā)器的面積大于20m2時(shí)，蒸發(fā)器觀測(cè)的蒸發(fā)量與天然水體的蒸發(fā)量才基本相同［5］。 因此，用小型蒸發(fā)器（皿）觀測(cè)的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，都應(yīng)乘以折算系數(shù)，才能作為天然水體的蒸發(fā)量估計(jì)值，即：

式中 E天然為天然水面蒸發(fā)量（mm）；K為折算系數(shù)；E儀器為小型蒸發(fā)器觀測(cè)的水面蒸發(fā)量（mm）。

3 衡水湖水面蒸發(fā)量

利用衡水實(shí)驗(yàn)站20m2蒸發(fā)池觀測(cè)的水面蒸發(fā)資料，與衡水湖進(jìn)行同步計(jì)算，計(jì)算衡水湖水面蒸發(fā)量。計(jì)算時(shí)段以月為單位，計(jì)算公式：

式中 Ei，衡水湖為第 i月衡水湖蒸發(fā)量（萬(wàn) m3）；k 為單位換算系數(shù)；Ai，水面面積為第 i月衡水湖水面面積（km2）；Ei，水面蒸發(fā)為第 i月天然水面蒸發(fā)量（mm）。

利用1994～2012年衡水湖月平均水位、水面面積和衡水試驗(yàn)站同步觀測(cè)的天然水面蒸發(fā)量資料系列，計(jì)算衡水湖水面蒸發(fā)量［7］。計(jì)算結(jié)果如表1。

4 衡水湖水面蒸發(fā)量變化特征

4.1 水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化特征

衡水湖水源供給主要靠引黃河水，每年冬季調(diào)水，隨著時(shí)間變化，除供工農(nóng)業(yè)用水外，還有蒸發(fā)、滲漏等消耗水量，水量逐漸減少，一直延續(xù)到下一年的調(diào)水進(jìn)行補(bǔ)充，完成一個(gè)年周期變化。衡水湖屬于平原淡水湖泊，水位變化隨水量的變化而變化，水面面積和水位變化基本一致。圖1為衡水湖1994～2012年衡水湖月平均湖面面積柱狀圖。

表1 衡水湖水面蒸發(fā)量計(jì)算 單位/萬(wàn)m3

圖1 衡水湖水面面積變化過(guò)程柱狀圖

衡水湖水面蒸發(fā)量受氣溫、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等因素影響，蒸發(fā)量變化較大。根據(jù)1994～2012年多年平均值統(tǒng)計(jì)，衡水湖水面蒸發(fā)量2939萬(wàn)m3。6月份蒸發(fā)量最大，為414萬(wàn)m3，占全年蒸發(fā)量的14.08%。1月份蒸發(fā)量最小，為85萬(wàn)m3，占全年蒸發(fā)量的2.88%。衡水湖月平均蒸發(fā)量變化過(guò)程如圖2。

年內(nèi)分布情況：年內(nèi)分布變化是春季（3～5月）占全年的 31.66%；夏季（6～8月）占 36.80%；秋季（9～11月）占 22.21%；冬季（12～2月）占 9.34%。

圖2 衡水湖水面蒸發(fā)量變化過(guò)程柱狀圖

4.2 水面蒸發(fā)量年際變化特征

衡水湖水面蒸發(fā)量年際變化，主要影響因素除受氣候因素影響外，還受年度用水量、蓄水量影響，直接影響到水面面積、湖內(nèi)生物、植物等因素。

采用20m2蒸發(fā)池觀測(cè)的水面蒸發(fā)量資料系列，逐年同步計(jì)算衡水湖年水面蒸發(fā)量，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 衡水湖水面蒸發(fā)量計(jì)算成果 單位：萬(wàn)m3

極差是觀測(cè)變量的最大取值與最小取值之間的離差，也就是觀測(cè)變量的最大觀測(cè)值與最小觀測(cè)值之間的區(qū)間跨度［8］。衡水湖水面蒸發(fā)量極差為最大年蒸發(fā)量與最小年蒸發(fā)量的差值。

從一定意義上來(lái)說(shuō)，絕對(duì)數(shù)值的變化，更能反應(yīng)一個(gè)地區(qū)自然地理特征的變化大小。衡水湖2002年水面蒸發(fā)量3434萬(wàn)m3，2006年2545萬(wàn)m3，極值差889萬(wàn)m3。通過(guò)極值差可以看到，年最大水面蒸發(fā)量與年最小蒸發(fā)量相差889萬(wàn)m3，水面蒸發(fā)量變化對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和氣候的影響非常大，極值差更能反應(yīng)當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量年際變化的情況。

極值比表示年際水面量最大值與最小值之比［9］。蒸發(fā)量極值比越大，蒸發(fā)量年際變化越大；極值比越小，年際變化小，蒸發(fā)量年際之間均勻。

極值比從相對(duì)角度反映年際變化特點(diǎn)。衡水湖水面蒸發(fā)量極值比為最大年蒸發(fā)量與最小年蒸發(fā)量的比值，極值比1.35。

變差參數(shù)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)中用均方差與均值之比作為衡量系列數(shù)據(jù)相對(duì)離散的參數(shù)，又稱(chēng)離差系數(shù)或離勢(shì)。離差系數(shù)Cv較大，即系列的離散程度較大，亦即系列中各項(xiàng)的值對(duì)均值離散較大，如果Cv較小，則系列的離散程度較小，亦即系列各項(xiàng)的值同均值相差較?。?0］。

年蒸發(fā)量變差參數(shù)Cv值越大，表示年降水量的年際變化越大，反之就越小；采用1994～2012年蒸發(fā)量資料計(jì)算，變差系數(shù)為0.1。離差系數(shù)表示系列中各項(xiàng)值對(duì)其均值的相對(duì)離散程度的指標(biāo)。

綜合上述分析，可以得出如下結(jié)論：衡水湖水面蒸發(fā)量時(shí)空分布變化較大。年際變化在1994～2012年期間為2545萬(wàn)～3434萬(wàn)m3，極值差889萬(wàn)m3，極值比1.35，變差系數(shù)0.1。

衡水湖水面蒸發(fā)量年際變化，主要影響因素除受降雨量、風(fēng)速、氣溫、氣壓等氣候因素影響外，還受年度用水量、蓄水量、引水水質(zhì)影響，直接影響到水面面積、湖內(nèi)生物、植物等因素影響，從而引起蒸發(fā)量的年際變化。

5 結(jié)語(yǔ)

由于受觀測(cè)儀器條件的限制，湖泊水面蒸發(fā)量計(jì)算常采用E601型蒸發(fā)器觀測(cè)資料近似代替水面蒸發(fā)量，而天然水面蒸發(fā)量與E601型蒸發(fā)器觀測(cè)值存在一定誤差。采用大水體蒸發(fā)池觀測(cè)資料能較好地反映天然水體蒸發(fā)量。通過(guò)衡水試驗(yàn)站20m2蒸發(fā)池觀測(cè)資料對(duì)衡水湖水面蒸發(fā)量進(jìn)行同步計(jì)算，較準(zhǔn)確地計(jì)算出衡水湖水面蒸發(fā)量。

衡水湖多年平均蒸發(fā)量2939萬(wàn)m3，極值差889萬(wàn)m3，極值比1.35，變差系數(shù)0.1。年內(nèi)變化受季節(jié)影響，春季（3～5 月）占全年的 31.66%；夏季（6～8 月）占36.80%；秋季（9～11 月）占 22.21%；冬季（12～2 月）占9.34%。

衡水湖蒸發(fā)量是衡水湖水量損耗的一個(gè)重要部分。衡水湖的蒸發(fā)量對(duì)衡水湖的水平衡分析的計(jì)算等有著密切關(guān)系。衡水湖每年蒸發(fā)量接近引水量的一半，在計(jì)算過(guò)程中，加入衡水湖蒸發(fā)量可以減小水平衡分析誤差，為引水調(diào)度、工農(nóng)業(yè)用水、濕地環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。衡水湖的蒸發(fā)量計(jì)算對(duì)于保護(hù)、利用、研究衡水湖濕地環(huán)境有著非常重要的理論意義和實(shí)踐意義。

［1］張彥增，尹俊嶺，崔希東，等.衡水湖濕地恢復(fù)與生態(tài)功能［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［2］孫夏利，費(fèi)良軍，李學(xué)軍.我國(guó)水面蒸發(fā)研究與進(jìn)展［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2009，20（4）：17-25.

［3］洪嘉璉，傅國(guó)斌.一種新的水面蒸發(fā)計(jì)算方法［J］.地理研究，1993，12（2）：51-59.

［4］裴步祥，鄒耀芳.利用小型蒸發(fā)器觀測(cè)水面蒸發(fā)量的幾個(gè)問(wèn)題［J］.氣象，1989，15（6）：12-18.

［5］劉敏，沈彥俊，曾燕，等.近50年中國(guó)蒸發(fā)器蒸發(fā)量變化趨勢(shì)分析［J］.地理學(xué)報(bào)，2009，64（3）：259-269.

［6］河北省水利廳.河北省衡水實(shí)驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)資料［R］.2012.

［7］陶澍.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1994.

［8］張文彤，董偉.SPSS 統(tǒng)計(jì)分析高級(jí)教程［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［9］鄧集賢，楊維權(quán)，司徒榮，等.概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.北京：高等數(shù)學(xué)出版社，2009.