基于年尺度的新疆車爾臣河流域各氣象要素對水面蒸發(fā)影響分析

鄧麗娟，姜卉芳

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊830052;2.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊830049)

蒸散發(fā)是水文循環(huán)中自降水到達地面后由液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)化為水汽返回大氣的階段。陸地上一年的降水約66%通過蒸散發(fā)返回大氣，由此可見蒸散發(fā)是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。干旱地區(qū)遠離海洋、降水稀少、蒸發(fā)強烈，水面蒸發(fā)是地表水體如河流、湖泊、水庫等水量損失的主要組成部分，因此水面蒸發(fā)在干旱區(qū)地表水體和水資源利用研究中占有顯著的地位，也是研究土壤蒸發(fā)和潛水蒸發(fā)的基礎［1］。

在水面蒸發(fā)中，許多因素及其內(nèi)部之間的相互關系非常復雜。對于水面蒸發(fā)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的作用原理、系統(tǒng)因素及因素之間的關系往往是很不明確和很不清楚的，這樣就不利于人們對其分析和進行正確有效的決策。揭示水面蒸發(fā)各要素間相互關系密切程度的傳統(tǒng)方法主要是統(tǒng)計分析，如相關分析、回歸分析和主成分分析。統(tǒng)計分析方法不僅需要大量的數(shù)據(jù)，而且還要求樣本服從典型的概率分布，但是水面蒸發(fā)與各影響因素之間的關系較為復雜，具有很強的模糊性和灰色性，并不具備樣本服從典型概率分布的條件，而且數(shù)據(jù)搜集也比較困難。灰色系統(tǒng)理論中的關聯(lián)度分析克服了統(tǒng)計分析的缺陷，對樣本量的大小沒有太高要求，也不需要樣本服從典型的概率分布，所以用灰色關聯(lián)度來分析事物之間的相互關系，更具有廣泛性和科學性［2］。

1 影響水面蒸發(fā)的主要因素

1.1 溫度

溫度在水面蒸發(fā)過程中太陽輻射是水汽化的主要能量，并通過氣溫和水溫的增高來影響水面蒸發(fā)。氣溫決定著水汽擴散的快慢和接納水汽多少的能力，大氣溫度的層結(jié)直接影響著濕度梯度，進而影響水面蒸發(fā)。氣溫高時，水面上的飽和水汽壓大，飽和差大，易于蒸發(fā)。水面溫度決定著水面水汽壓的大小及水分子的活躍程度，水面溫度高，水分子運動能量大，水面蒸發(fā)速率大。［3］

1.2 飽和水汽壓差

飽和水汽壓差是水面飽和水汽壓與水面上某一高度空氣中的水汽壓之差。水面飽和水汽壓是水面溫度的函數(shù)，空氣中的水汽壓是氣溫和相對濕度的函數(shù)。因此，水溫和氣溫對水面蒸發(fā)速率的影響，可以從飽和水汽壓力差中得到反映。飽和水汽壓差反映了蒸發(fā)面上的濕度和蒸發(fā)面上一定高度內(nèi)的濕度梯度，是影響水面蒸發(fā)速率的主要因素之一。根據(jù)擴散理論，蒸發(fā)率與飽和水汽壓差成正比變化，飽和水汽壓差愈大，蒸發(fā)作用愈強，反之愈小。

1.3 空氣飽和差

空氣飽和差反映了蒸發(fā)水面以上空氣中的濕度狀況，但沒有反映蒸發(fā)水面上的濕度大小。水面蒸發(fā)速率與空氣飽和差成正比關系，空氣飽和差愈大，蒸發(fā)作用愈強，反之愈小。

1.4 相對濕度

相對濕度是空氣中的實際水汽壓與當時氣溫下的飽和水汽壓的比值，它反映空氣距飽和狀態(tài)遠近的程度。一般來說，水面的濕度大(接近飽和)，其上空及外圍濕度小，存在著濕度差。因此，相對濕度的大小可以反映水面上的水汽向外擴散和交換的快慢。當相對濕度大時，水汽向外擴散和交換得慢，水面蒸發(fā)速率小;當相對濕度小時，水汽向外擴散和交換的快，水面蒸發(fā)速率大。

1.5 風速

風速的大小，表現(xiàn)在它對紊流擴散作用的強弱和干濕空氣交換的快慢上，是影響水面蒸發(fā)速率的主要因素之一。無風時，水面上的水汽主要靠分子擴散，水汽壓減少得慢，飽和差小，因而水面蒸發(fā)緩慢。有風時，湍流加強，水面上的水汽隨風和湍流迅速擴散到廣大的空間，水面上的水汽壓很快減小，飽和差變大，水面蒸發(fā)加快。風速愈大，紊動愈強烈，干濕空氣交換得越快，故水面蒸發(fā)也越大。

2 灰色關聯(lián)方法介紹［4-6］

灰色關聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密。曲線越接近，相應序列之間關聯(lián)度就越大，反之就越小。

設有一母因素數(shù)列，記作 X0=(X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n))，同時有一系列子因素數(shù)列，依次記作 X1，X2，X3，…，Xm。

由于關聯(lián)度是兩個序列關聯(lián)性大小的度量。根據(jù)這一理論，其計算方法與步驟敘述如下:

2.1 數(shù)值的標準化處理

由于在實際應用中，常常會遇到數(shù)據(jù)的量綱和絕對值的大小不一樣的情況，因此需要對原始數(shù)據(jù)采用標準化的方法來進行變換，經(jīng)過變換后的原始數(shù)據(jù)列變?yōu)?

式中:i=1，2，3，……，n;k=1，2，3，……，n，X(k)為原始數(shù)據(jù);Xi為該要素的平均值;Si為該要素的標準差;Xi(k)為標準化處理結(jié)果。

2.2 關聯(lián)系數(shù)和關聯(lián)度的計算

對于Xi對X0在k點的關聯(lián)系數(shù)可以用來表示，的表達式為:

結(jié)合當前我國多地水利設施的建設以及使用情況來看，堤壩的滲水情況普遍存在，并且沒有得到有效治理。堤壩的滲水嚴重影響了水利設施的正常使用，因此，堤壩防滲加固施工就非常的重要，但是要想獲得良好的施工效果，必須要先了解堤壩滲水的具體原因以及類型，才能夠有針對性地選擇合適的施工方案，進行堤壩滲水加固的施工，本文就幾類具體的堤壩滲水情況進行詳細分析。

因為每一列的數(shù)據(jù)都有n個，所以計算出來的關聯(lián)系數(shù)也有n個，這樣信息就過于分散。如果把各點的關聯(lián)系數(shù)取平均值，就可把各點關聯(lián)系數(shù)集中為一個值，即為關聯(lián)度。子因素數(shù)列的關聯(lián)度大小代表了與母因素數(shù)列的關系密切情況，若大，則代表關系密切，從而該因素的影響就大。

3 各氣象要素對水面蒸發(fā)量影響程度的關聯(lián)分析

本文以新疆車爾臣河流域且末縣氣象站1956至2008年多年水面蒸發(fā)量(φ20小型蒸發(fā)皿)觀測資料為基礎，按照灰色關聯(lián)度分析法，對水面蒸發(fā)量及其影響因素進行分析。設年水面蒸發(fā)量(φ20蒸發(fā)皿)為參考數(shù)列X0，年均氣壓、年均溫度、年均水汽壓、年均相對濕度、年均總云量、年均風速與年日照時數(shù)與分別為 X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7，各因素的年統(tǒng)計值由于篇幅所限，在此未列出。

3.1 研究區(qū)概況

車爾臣河發(fā)源于昆侖山北坡的木孜塔格峰，全長813 km，年徑流量為6.8億 m3，是巴州南部最大的河流。車爾臣河流域位于東經(jīng) 83°30'～ 85°15'，北緯 36°30'～ 39°15'，南起昆侖山和阿爾金山山脈，北至塔克拉瑪干沙漠與尉犁相望，西臨且末縣的喀拉米蘭河流域，東北部在若羌縣境內(nèi)與塔里木河流域相連。流域地勢從南向北依次分為:南部阿爾金-昆侖山區(qū)與山前平原地區(qū)、中部平原區(qū)、北部塔克拉瑪干沙漠區(qū)。流域上游山區(qū)氣溫較低、降水相對較多，中下游地區(qū)由于受高山阻擋，暖濕氣流難以到達，加之受北部沙漠下墊面和東北方向蒙古高壓氣團的影響，降水稀少，平均年降雨量僅18.6 mm，而蒸發(fā)量高達2 507 mm，蒸降比高達70，形成典型的干旱荒漠大陸性氣候。

3.2 灰色關聯(lián)分析

3.2.1 原始數(shù)列進行數(shù)據(jù)變換

將53年來的各氣象數(shù)據(jù)根據(jù)公式(1)進行標準化處理。其中:X(k)為原始數(shù)據(jù);Xi為同一氣象要素的平均值;Si為同一氣象要素的標準差;Xi(k)為標準化處理結(jié)果。

3.2.2 蒸發(fā)量(X0)和各氣象要素(Xi)的絕對差值

3.2.3 關聯(lián)系數(shù)的計算

3.2.4 關聯(lián)度的計算

按照關聯(lián)度公式，利用關聯(lián)度計算模型可以得到車爾臣河流域近53年來各氣象要素與水面蒸發(fā)量的關聯(lián)度，結(jié)果 見表1。

表1 近53年蒸發(fā)量與各氣象要素的關聯(lián)度及排序

由表1可知，近53年來，影響研究區(qū)水面蒸發(fā)的主要氣象因素為風速與日照時數(shù)兩因素(取關聯(lián)度大于0.82)。研究區(qū)該時期各氣象要素影響排序為:日照時數(shù)＞風速＞氣壓＞氣溫＞總云量＞相對濕度＞水汽壓。

4 結(jié)語

根據(jù)表1的計算結(jié)果，由于 0.821 9＞0.821 1＞0.803 2＞0.768 9＞0.744 6＞0.741 0＞0.735 7，可得出灰色關聯(lián)度的排序為:X7＞X6＞X1＞X2＞X5＞X4＞X3。從此排序中可以看出，X7是與X0關系最為密切的因素，與X0的發(fā)展趨勢最為接近，對X0的影響最大，而X3對X0的影響最弱，與X0的關系最不密切。

由灰色關聯(lián)分析可以看出，本文利用灰色關聯(lián)度分析法，把蒸發(fā)量和主要蒸發(fā)量構(gòu)成因素(即相關氣象要素)作為一個灰色系統(tǒng)進行分析，能夠真實的反映各氣象要素與蒸發(fā)量之間的關系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)量主要構(gòu)成因素中日照時數(shù)對蒸發(fā)量的影響最大，其次是風速、氣壓、氣溫、總云量、相對濕度，水汽壓與蒸發(fā)量的關聯(lián)度最小。因此，從氣象因素的角度出發(fā)，在干旱半干旱區(qū)大中型平原水庫的規(guī)劃設計以及優(yōu)化調(diào)度中，應當充分考慮日照時數(shù)與風速因素對水庫水面蒸發(fā)的影響，合理規(guī)劃、調(diào)度，減少水量損失。

［1］周金龍，姚斐.天山北坡平原區(qū)水面蒸發(fā)的實驗研究［J］.干旱區(qū)研究.1999，16(1):41-43.

［2］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基礎方法［M］.武漢:華中理工大學出版社.1987.

［3］胡順軍，郭謹，王舉林，等.塔里木盆地水面蒸發(fā)量的實驗研究［J］.干旱區(qū)地理.2004，27(2):212-215.

［4］鄧聚龍.灰色預測與決策［M］.武漢:華中工學院出版社.1985.

［5］劉法貴，張愿章，李湘露.灰色數(shù)學及其應用［M］.開封:河南大學出版社.2002.

［6］田民，劉思峰，卜志坤.灰色關聯(lián)度算法模型的研究綜述［J］.統(tǒng)計與決策.2008(1):24-27.