喀什河流域平原水庫蒸發(fā)規(guī)律研究

趙大壯

（伊犁水文勘測局,新疆 伊寧 835000）

0 引言

在干旱區(qū)水資源循環(huán)中,水面蒸發(fā)發(fā)揮著重要作用,也是區(qū)域水資源循環(huán)中最直接受到自然地理條件、氣候變化及下墊面影響的要素。區(qū)域大水體水面蒸發(fā)對大氣環(huán)流和區(qū)域性降水均有較大影響,通過研究大水體水面蒸發(fā)規(guī)律,對深入研究地理環(huán)境及氣候變化規(guī)律,進一步探尋氣候變換的原因意義重大。國內(nèi)外研究大水體水面蒸發(fā)規(guī)律的時間由來已久,研究成果也頗為豐富?；诘貐^(qū)氣象及蒸發(fā)資料并結(jié)合區(qū)域地理位置及氣候條件,通過修正彭曼公式和道爾頓模型參數(shù)以開發(fā)出不同蒸發(fā)模型[1],可以得到較好的單站水面蒸發(fā)量模擬效果,但是這種水面蒸發(fā)模型具有非常明顯的區(qū)域適用性和局限性,異地使用后效果不理想。新疆地區(qū)作為內(nèi)陸干旱區(qū),大水體水面蒸發(fā)異常強烈,當前,全新疆已建成的水庫中平原水庫占比在90%以上,根據(jù)統(tǒng)計資料,平原水庫水面蒸發(fā)損失量在入庫水量中占比30%～60%,平原水庫水資源利用率較低。為此,必須展開新疆干旱區(qū)平原水庫水面蒸發(fā)漏損規(guī)律分析,探討減少平原水庫水面蒸發(fā)漏損的可行之策,切實提高水資源利用效率。

1 流域概況

喀什河流域是伊犁河上游第二大支流, 發(fā)源于天山與依連哈比爾尕山交接的高山冰川地帶, 流域主要流經(jīng)亞歐大陸腹地的溫帶大陸性氣候區(qū), 河流長304 km, 流域總面積9543 km2,河源海拔及流域海拔分別為3600 m 和800 m～4600 m 之間,呈西北地東西高地勢；河道較為順直,并大致呈現(xiàn)為羽毛形狀,支流廣布且短小,包爾包斯河、寨口河等均為較大支流。流域多年干旱少雨,年降水量均值為47.5 mm,年蒸發(fā)量均值2100 mm,流域內(nèi)當前三座大型的平原水庫分別為吉林臺一級水庫、吉林臺二級水庫、溫泉水庫,三座水庫總庫容7.964×108m3,年平均水面面積257.1 km2,年蒸發(fā)量均值1.648×108m3,在總庫容中占比20%～30%,水庫水資源利用效率低下。

2 流域平原水庫蒸發(fā)規(guī)律

2.1 數(shù)據(jù)選取

為揭示和分析喀什河流域平原水庫年內(nèi)及年際蒸發(fā)規(guī)律,進行蒸發(fā)量和水面面積、氣溫等影響因素關(guān)系的分析,選擇喀什河流域水平衡試驗站1991 年～2020 年20 m2蒸發(fā)池和20 cm 蒸發(fā)皿的蒸發(fā)數(shù)據(jù),進行該流域平原水庫年蒸發(fā)量計算[2]。1991 年～2020 年喀什河流域水平衡試驗站20 m2蒸發(fā)池月平均蒸發(fā)量和20 cm 蒸發(fā)皿的月平均蒸發(fā)量變動趨勢具體見圖1。從圖中明顯看出,流域水平衡站20 m2蒸發(fā)池月平均蒸發(fā)量最大為354 mm,而20 cm 蒸發(fā)皿的月平均蒸發(fā)量最大僅為186 mm。平原水庫水面蒸發(fā)損失量可采取兩種計算方法：一是世界氣象組織蒸發(fā)組所提出的以20 m2蒸發(fā)池實際蒸發(fā)量觀測結(jié)果為水庫水面蒸發(fā)量代表,據(jù)此計算水庫水面蒸發(fā)損失水量,公式如下：

式中：W為水庫水面月蒸發(fā)損失水量值,m3；E0為水庫水面月蒸發(fā)量觀測值,mm；F為水庫水面面積, m2。

二是根據(jù)蒸發(fā)皿實際觀測資料進行水庫水面蒸發(fā)量計算,再推算出水庫水面蒸發(fā)損失水量,公式如下：

式中：B為月水位均值對應的庫水面面積,m2；a為蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量折算系數(shù)；Es為陸地蒸發(fā)皿月水面蒸發(fā)量觀測值,mm；E1為水庫建成前陸地月蒸發(fā)量觀測值,mm。

考慮到流域平原水庫實際情況及數(shù)據(jù)收集的難易程度,本文主要選用第一種算法進行喀什河流域平原水庫水面蒸發(fā)損失水量計算。

2.2 水面蒸發(fā)量變化趨勢分析

1991 年～2020 年,喀什河流域吉林臺一級水庫、吉林臺二級水庫、溫泉水庫水面蒸發(fā)水量年內(nèi)變化趨勢具體見圖2～圖4。通過圖中分析結(jié)果可以看出,喀什河流域三座平原水庫月蒸發(fā)水量存在以下變動規(guī)律：（1）平原水庫蒸發(fā)水量年內(nèi)分布不均,蒸發(fā)主要集中在每年的4 月～10 月,其中蒸發(fā)水量最大的月份為7 月,吉林臺一級水庫、吉林臺二級水庫、溫泉水庫月蒸發(fā)水量最大值分別為350.41×104m3、1328.45×104m3、720.69×104m3；蒸發(fā)量最小的月份為12 月,三座平原水庫月蒸發(fā)水量最小值分別為24.98×104m3、87.47×104m3、45.14×104m3。（2）喀什河流域吉林臺一級水庫、吉林臺二級水庫、溫泉水庫月最大蒸發(fā)量水面面積和月最小蒸發(fā)量水面面積之比分別為0.78∶0.94∶0.92,這表明月蒸發(fā)量最大的月份和月蒸發(fā)量最小的月份所對應水庫水面面積較為接近,而月蒸發(fā)量相差較大。通過分析原因發(fā)現(xiàn),喀什河流域三座平原水庫11 月～次年3 月因氣溫較低而基本處于凍結(jié)期,蒸發(fā)量非常??；4 月～10 月隨著氣溫的回暖,水面蒸發(fā)增大,7 月份達到最大,在此期間流域三座平原水庫蒸發(fā)量在全年蒸發(fā)總量中的占比分別為86.5%、85.4%河86.4%。

圖2 吉林臺一級水庫水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化趨勢

圖3 吉林臺二級水庫水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化趨勢

圖4 溫泉水庫水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化趨勢

1991 年～2020 年,喀什河流域吉林臺一級水庫、吉林臺二級水庫、溫泉水庫水面蒸發(fā)量以水面面積為變量的年際變化趨勢具體見圖5～圖7。通過圖中分析結(jié)果可以看出,喀什河流域三座平原水庫年際蒸發(fā)量存在以下變動規(guī)律：（1）流域平原水庫水面蒸發(fā)量年際變化不大,其中吉林臺一級水庫水面年蒸發(fā)量最大值和最小值分別出現(xiàn)在2009 年和1997 年,對應的年蒸發(fā)量為1.28 m 和0.54 m,最大、最小年蒸發(fā)量水面面積比為1.56∶1；吉林臺二級水庫水面年蒸發(fā)量最大值和最小值分別出現(xiàn)在2002 年和1994 年,對應的年蒸發(fā)量為1.31 m 和0.92 m,最大、最小年蒸發(fā)量水面面積比為1.18∶1；溫泉水庫水面年蒸發(fā)量最大值和最小值分別出現(xiàn)在2004 年和1999 年,對應的年蒸發(fā)量為1.25 m 和0.87 m,最大、最小年蒸發(fā)量水面面積比為1.16∶1。根據(jù)以上分析,喀什河流域三座平原水庫1991 年～2020 年水面面積及水面蒸發(fā)量年際變化均不大,這也符合流域水面面積越大、蒸發(fā)量也越大的趨勢規(guī)律。相反,在喀什河流域氣溫月際變化較為明顯的作用下,流域水面面積月際變化越小,則水面蒸發(fā)量月際變化越大,也就是說,氣溫是造成三座平原水庫水面蒸發(fā)量月際變化較大的主要因素[3]。

圖5 吉林臺一級水庫水面蒸發(fā)量年際變化趨勢

圖6 吉林臺二級水庫水面蒸發(fā)量年際變化趨勢

圖7 溫泉水庫水面蒸發(fā)量年際變化趨勢

3 流域平原水庫蒸發(fā)受氣溫的影響

氣溫、風速、濕度、日照、水氣壓等均對流域水面蒸發(fā)量存在一定程度影響。通過分析喀什河流域三座平原水庫蒸發(fā)量變動趨勢規(guī)律看出,水庫蒸發(fā)量年內(nèi)分布十分不均,蒸發(fā)量較大的月份大多集中在4 月～10 月。根據(jù)對1991 年～2020 年喀什河流域年內(nèi)及年際氣溫變化趨勢的分析可以看出,流域年溫差較大,且流域年氣溫均值呈緩慢升高趨勢,每10 年氣溫均值平均升高0.2℃,相關(guān)系數(shù)0.59,表明喀什河流域年氣溫均值升高趨勢顯著。在流域氣溫持續(xù)升高的影響下,其三座平原水庫蒸發(fā)量也呈現(xiàn)出相應變化,1991 年～2020年流域三座平原水庫月蒸發(fā)量與月氣溫變動的關(guān)系曲線見圖8,1991 年～2020 年流域三座平原水庫年蒸發(fā)量與年氣溫變動關(guān)系曲線見圖9。

圖8 喀什河流域平原水庫月蒸發(fā)量與月平均氣溫關(guān)系曲線

圖9 喀什河流域平原水庫年蒸發(fā)量與年氣溫均值關(guān)系曲線

根據(jù)以上關(guān)系曲線可以看出,喀什河流域平原水庫蒸發(fā)量年內(nèi)變動趨勢與氣溫年內(nèi)變動趨勢基本一致；考慮到流域氣溫年內(nèi)變化較大,11 月～次年3 月氣溫低,對應的蒸發(fā)量小,這一時期吉林臺一級水庫、吉林臺二級水庫、溫泉水庫蒸發(fā)量分別為132.8 mm、164.1 mm 河148.9 mm,在水庫年蒸發(fā)總量中分別占比13.5%、14.6%和13.6%。

1991 年～2020 年喀什河流域三座平原水庫年際蒸發(fā)量變動趨勢較為穩(wěn)定,年最大、最小蒸發(fā)量之間相差不大。吉林臺一級水庫、吉林臺二級水庫、溫泉水庫年最大最小蒸發(fā)量之比分別為2.12、1.35 河1.19。主要原因在于影響該流域平原水庫水面蒸發(fā)的氣溫、風速、濕度、日照等氣象因素年際變化并不大。1991 年～2020 年喀什河流域氣溫按照0.2℃/10年的速度緩慢升高,這對平原水庫蒸發(fā)量存在微小程度的影響,具體而言,吉林臺一級水庫、吉林臺二級水庫、溫泉水庫年際蒸發(fā)量年平均增速分別為1.46%、0.55%和0.20%。

4 結(jié)論

綜上所述,大水體水面蒸發(fā)是水量平衡分析中的重要方面,當前國內(nèi)外并無直接測算水面蒸發(fā)量的方法,通過分析喀什河流域平原水庫蒸發(fā)損失規(guī)律,對于新疆干旱區(qū)大水體水面蒸發(fā)損失控制及水資源利用效率的提升意義重大。根據(jù)分析結(jié)果,喀什河流域三座大型平原水庫水面面積年內(nèi)變化并不明顯,但年蒸發(fā)量變化較大,且蒸發(fā)量大多集中在4 月～10 月,這一時期三座平原水庫水面蒸發(fā)量在全年蒸發(fā)總量中的占比分別為86.5%、85.4%河86.4%?？κ埠恿饔蚱皆畮煺舭l(fā)量年內(nèi)變化趨勢和氣溫年內(nèi)變化趨勢較為一致,而月蒸發(fā)量則隨著氣溫的升高而呈增大趨勢。該流域近30 年來氣溫以0.2℃/10a 的速度上升,這對蒸發(fā)量存在微弱影響。