瑪納斯河流域水面蒸發(fā)綜合分析

丁文學(xué)

(烏魯木齊水文勘測(cè)局，烏魯木齊 830000)

水面蒸發(fā)量是反映當(dāng)?shù)卣舭l(fā)能力的指標(biāo)。水面蒸發(fā)主要受氣溫、濕度、風(fēng)力、輻射等氣象因素的綜合影響，不同緯度、不同地形條件，其水面蒸發(fā)量也不同[1-2]。

瑪納斯河流域地形變化幅度大，加之遠(yuǎn)離海洋，且高山阻隔，故本流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂颉Ｆ涮攸c(diǎn)是干燥少雨，四季分明，冬夏漫長(zhǎng)，春秋季短暫，有春季升溫快、秋季降溫迅速和溫差大、光照充足、風(fēng)沙較大等特性。流域水汽主要來(lái)源于濕潤(rùn)的西北環(huán)流及北冰洋氣流，其水汽受天山山脈的阻擋及多條平行山脈的作用，導(dǎo)致流域氣象特征在上、中、下有明顯差異。該氣候特點(diǎn)是氣溫隨海拔的增加而降低，降水隨海拔的增加而增加，蒸發(fā)隨著海拔的增加而降低。

1 基本資料情況

瑪納斯河流域內(nèi)水面蒸發(fā)觀測(cè)站點(diǎn)10處，其中氣象站點(diǎn)5處，水文站點(diǎn)5處。見表1。

表1 瑪納斯河流域蒸發(fā)選用站基本情況表

2 資料插補(bǔ)延長(zhǎng)

根據(jù)《黃河流域(片)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》有關(guān)要求，水面蒸發(fā)采用同步資料系列進(jìn)行分析。因此，對(duì)八家戶水文站1980-1982年水面蒸發(fā)量選擇氣候條件較相似的肯斯瓦特水文站作為參證站，采用相關(guān)分析法插補(bǔ)展延。相關(guān)系數(shù)0.78，通過(guò)信度α=0.01的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

相關(guān)公式為：

E八=0.709 5E肯+377.66

八家戶水文站-肯斯瓦特水文站年水面蒸發(fā)相關(guān)圖見圖1。

圖1 八家戶水文站-肯斯瓦特水文站年水面蒸發(fā)相關(guān)圖(Φ20 cm)

對(duì)清水河子水文站1980-1982年水面蒸發(fā)量選擇氣候條件較相似的煤窯水文站作為參證站，采用相關(guān)分析法插補(bǔ)展延。相關(guān)系數(shù)0.79，通過(guò)信度α=0.01的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

相關(guān)公式為：

E清=0.925 9E煤+92.623

清水河子水文站-煤窯水文站年水面蒸發(fā)相關(guān)圖見圖2。

圖2 清水河子水文站-煤窯水文站年水面蒸發(fā)相關(guān)圖(Φ20 cm)

3 水面蒸發(fā)折算系數(shù)

流域內(nèi)確定水面蒸發(fā)量的主要方法是通過(guò)Φ20蒸發(fā)器觀測(cè)，然后折算成水體水面蒸發(fā)量。由于蒸發(fā)器本身體積小，水深、儀器結(jié)構(gòu)、安裝形式和材料不同，周圍環(huán)境的熱力條件和動(dòng)力條件之間的關(guān)系與天然水體不同，一般蒸發(fā)器所測(cè)的蒸發(fā)值比天然大水體的蒸發(fā)量大。為了解決這個(gè)問題，需根據(jù)不同型號(hào)蒸發(fā)器同期對(duì)比觀測(cè)資料確定一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)就是折算系數(shù)。流域內(nèi)蒸發(fā)觀測(cè)站大多使用Φ20蒸發(fā)器觀測(cè)，需按《黃河流域(片)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)細(xì)則》)要求統(tǒng)一換算成E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。截至目前，流域內(nèi)水面蒸發(fā)觀測(cè)站中只有肯斯瓦特水文站有Φ20蒸發(fā)器與E601型蒸發(fā)皿對(duì)比觀測(cè)資料。選取肯斯瓦特站1986-2013年同期Φ20蒸發(fā)器與E601型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，計(jì)算出肯斯瓦特水文站水面蒸發(fā)折算系數(shù)統(tǒng)計(jì)表，見表2。由于冰期肯斯瓦特站E601型蒸發(fā)器每年12月份至次年3月份存在結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致其中2個(gè)月的折算系數(shù)大于1。

表2 肯斯瓦特站水面蒸發(fā)折算系數(shù)統(tǒng)計(jì)表(一)

《新疆地表水資源》報(bào)告中，通過(guò)對(duì)全疆有全年對(duì)比觀測(cè)資料的28個(gè)站的非冰期折算系數(shù)分析，得出非冰期折算系數(shù)與全年折算系數(shù)僅相差0.0～0.2。由于冰期水面蒸發(fā)量很小，因此借用非冰期折算系數(shù)的平均值近似代表測(cè)站的冰期折算系數(shù)，進(jìn)行各月水面蒸發(fā)量的計(jì)算是可行的，對(duì)年水面蒸發(fā)的計(jì)算精度不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。因此，借用肯斯瓦特站非冰期(4-10月份)平均折算系數(shù)0.54代替冰期(12-3月份)折算系數(shù)，見表3。

表3 肯斯瓦特站水面蒸發(fā)折算系數(shù)統(tǒng)計(jì)表(二)

4 水面蒸發(fā)量計(jì)算

以E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量觀測(cè)值近似代表水面蒸發(fā)量，忽略E601型蒸發(fā)器觀測(cè)值與大水體水面蒸發(fā)量之間的差異。由于流域內(nèi)僅有肯斯瓦特水文站有E601型蒸發(fā)器觀測(cè)資料，其他站點(diǎn)僅有Φ20cm蒸發(fā)器觀測(cè)資料，故借用肯斯瓦特水文站折算系數(shù)，統(tǒng)一將選用站Φ20cm蒸發(fā)器觀測(cè)值折算成E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量作為該站水面蒸發(fā)量。各選用站月水面蒸發(fā)量計(jì)算公式如下：

瑪納斯河流域水面蒸發(fā)選用站蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 瑪納斯河流域水面蒸發(fā)選用站蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)表

5 水面蒸發(fā)量年內(nèi)分配

受氣溫、濕度等氣象因素的綜合影響，水面蒸發(fā)量的年內(nèi)分配不均。從表5中可見，連續(xù)最大4個(gè)月水面蒸發(fā)量占年水面蒸發(fā)量的65.4%～69.6%，且各月水面蒸發(fā)量較為接近，各站均出現(xiàn)在5-8月份。最大月水面蒸發(fā)量出現(xiàn)在7月份，占年內(nèi)蒸發(fā)量的16.9%～18.5%；最小月水面蒸發(fā)量出現(xiàn)在2月份，占年內(nèi)蒸發(fā)量的0.4%～1.0%。最大月蒸發(fā)量是最小月蒸發(fā)量的17～36倍。由于流域內(nèi)氣溫年差較大，水面蒸發(fā)量的年內(nèi)變幅也較高。圖3為山區(qū)、平原代表站1980-2013年多年平均逐月水面蒸發(fā)量柱狀圖。從圖3中可見，各站水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化過(guò)程基本相同，山區(qū)站連續(xù)最大4個(gè)月水面蒸發(fā)量要略小于平原站。

表5 瑪納斯河流域選用站多年平均水面蒸發(fā)量年內(nèi)分配

圖3 山區(qū)、平原代表站1980-2013年多年平均逐月水面蒸發(fā)量柱狀圖

水面蒸發(fā)量的季節(jié)變化主要表現(xiàn)在夏季大、冬季小。在春、夏、秋、冬四季中，夏季(6-8月份)氣溫高，水面蒸發(fā)量大，占年蒸發(fā)量的43%～52%；冬季(12-2月份)氣溫低，水面蒸發(fā)量小，僅占年蒸發(fā)量的2%～8%；春季(3-5月份)和秋季(9-11月份)水面蒸發(fā)量居中，由于春季多風(fēng)，故春季蒸發(fā)量略大于秋季。圖4為山區(qū)、平原代表站四季多年平均水面蒸發(fā)量占年水面蒸發(fā)量百分比餅狀圖。由圖4可知，在四季水面蒸發(fā)量的分配上，山區(qū)和平原是一致的。

圖4 山區(qū)、平原代表站四季多年平均水面蒸發(fā)量占年水面蒸發(fā)量百分比餅狀圖

6 水面蒸發(fā)年際變化

由于影響水面蒸發(fā)的氣象要素年際變化不大，因此也決定了水面蒸發(fā)量年際變化較小。選取10處實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)資料(已折算成E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量)系列較長(zhǎng)、代表性較好的站點(diǎn)為代表，進(jìn)行水面蒸發(fā)量年際變化分析，代表站水面蒸發(fā)量年際變化統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 選用站水面蒸發(fā)量年際變化統(tǒng)計(jì)表

從表6中可以看出，水面蒸發(fā)量的年際變化不大，較為穩(wěn)定，其變幅小于降水和徑流。最大年水面蒸發(fā)量與最小年水面蒸發(fā)量的極值比在1.28～2.60之間，變差系數(shù)Cv值在0.064～0.233之間。在選用站中，莫索灣氣象站水面蒸發(fā)年際變化最小，最大年與最小年水面蒸發(fā)極值比為1.26，變差系數(shù)Cv值僅為0.064。

流域內(nèi)各地間水面蒸發(fā)量最大年出現(xiàn)時(shí)間同步性較好，最小年出現(xiàn)時(shí)間同步性較差，這也說(shuō)明了流域內(nèi)氣溫、濕度、風(fēng)速、輻射等氣象因素及地形、地貌等下墊面條件的綜合影響是基本一致的。

7 干旱指數(shù)

干旱指數(shù)是反映某一地區(qū)氣候干、濕程度的指標(biāo)之一。干旱指數(shù)是以年水面蒸發(fā)能力與年降水量的比值來(lái)表示。由于缺乏水面蒸發(fā)能力的實(shí)測(cè)資料，近似以E601型蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量代替水面蒸發(fā)能力。干旱指數(shù)與氣候干、濕分帶關(guān)系極為密切，通常干旱指數(shù)小于1.0時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域降水量超過(guò)水面蒸發(fā)能力，氣候濕潤(rùn)或十分濕潤(rùn)；干旱指數(shù)在1.0～3.0之間時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域降水量接近水面蒸發(fā)能力，氣候半濕潤(rùn)；干旱指數(shù)在3.0～7.0之間時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域水面蒸發(fā)能力大于降水量，氣候偏于干旱；干旱指數(shù)大于7.0時(shí)，氣候干旱，且干旱指數(shù)越大，氣候干旱程度越強(qiáng)烈。干旱指數(shù)與氣候干、濕分帶關(guān)系見表7。

表7 干濕程度分級(jí)表

本次采用兩種方法進(jìn)行干旱指數(shù)的計(jì)算。對(duì)于有水面蒸發(fā)實(shí)測(cè)資料的選用站，則根椐各站多年平均年水面蒸發(fā)量(E601型蒸發(fā)器折算值)和多年平均年降水量計(jì)算各站的干旱指數(shù)；對(duì)于無(wú)水面蒸發(fā)量實(shí)測(cè)資料的區(qū)域，則根椐1980-2013年多年平均降水量等值線圖與多年平均水面蒸發(fā)量等值線圖重疊在一起，找出交叉點(diǎn)的多年平均降水量和多年平均水面蒸發(fā)量，各站干旱指數(shù)計(jì)算值見表8。

表8 瑪納斯河流域各站干旱指數(shù)計(jì)算表

通過(guò)計(jì)算表明，在海拔較高的山區(qū)，氣溫較低，蒸發(fā)能力較弱，但降水量卻很豐沛。干旱指數(shù)的地區(qū)分布與水面蒸發(fā)量的分布基本一致，存在明顯的垂直地帶性分布規(guī)律[3-5]。干旱指數(shù)隨著高程的增加、降水量的增大、水面蒸發(fā)量的減少而減小，山區(qū)小于平原。

瑪納斯河流域南部山區(qū)干旱指數(shù)小于3，屬半濕潤(rùn)地區(qū)；河流出山口區(qū)域干旱指數(shù)在4.0～5.5之間，屬半干旱地區(qū)；北部平原地區(qū)干旱指數(shù)在8.0左右，屬干旱地區(qū)。

總體而言，氣溫、降水、風(fēng)速是影響干旱指數(shù)的重要因素?，敿{斯河流域干旱指數(shù)在流域面上分布變化范圍較小，有氣象記錄的觀測(cè)站干旱指數(shù)在1.4～8.0之間。從整個(gè)流域面上來(lái)說(shuō)，瑪納斯河流域?qū)儆诎霛駶?rùn)、半干旱地區(qū)。