三峽水庫水面蒸發(fā)量估算

王玉濤，林濤濤

(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

三峽水利樞紐工程地處四川盆地與長江中下游平原結合部，控制長江上游流域面積約100萬km2，占長江流域總面積的55.6%。三峽水庫蓄水后形成庫區(qū)長超663 km，屬河道型水庫，平均寬度1.63 km，水面面積超1 000 km2，總庫容393億m3。三峽水庫除了發(fā)揮防洪、發(fā)電和航運等功能外，也是重要水源地。水面蒸發(fā)量是自然水體損失的主要部分[1-2]，是自然界水循環(huán)中最基本的因素之一，是水量平衡的重要組成部分，也是水庫、湖泊等自然水體水量損失的主要部分。結合中國水面蒸發(fā)[1]研究的情況，為準確估算水庫水面蒸發(fā)量[2-4]，前人做了大量研究：閔騫等開展了鄱陽湖水面蒸發(fā)[5-7]計算與分析，為水庫水面蒸發(fā)的計算提供了方向；倪振行在漂浮水面蒸發(fā)[8-9]的觀測、代表性以及水庫水面蒸發(fā)的推算方面提出建議。本文分析三峽水庫庫區(qū)水面蒸發(fā)損失，對于掌握水庫水沙變化規(guī)律、科學開展三峽水利樞紐運行調度意義重大。

近年來，在三峽水庫水面蒸發(fā)量計算中，一般采用陸上E601B型蒸發(fā)數據進行折算，數據代表性較差，特別是對水域面積變化帶來的蒸發(fā)量變化考慮較少。2013年8月1日，在距三峽大壩71 km的三峽庫區(qū)巴東河段設立了巴東漂浮水面蒸發(fā)實驗站(以下簡稱“巴東站”)，填補了三峽庫區(qū)漂浮水面蒸發(fā)觀測的空白，為分析庫區(qū)水面蒸發(fā)損失提供了依據。巴東站設有陸上蒸發(fā)觀測場和漂浮觀測場，陸上觀測場位于長江干流右岸，場地高程183 m(吳淞，下同)；漂浮蒸發(fā)觀測場場地高程145～175 m，位于長江干流航道右側。觀測項目包括降水量、蒸發(fā)量、氣溫、濕度、氣壓、水汽壓、風速風向、水溫(蒸發(fā)池內)、日照、江水水溫等。本文根據巴東站2013年8月至2021年12月實測數據對三峽水庫水面蒸發(fā)量及其影響因子進行分析。

1 漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數

水面蒸發(fā)過程是水從液態(tài)轉化為氣態(tài)的過程，是水分子運動的結果。在蒸發(fā)過程中，活躍的水分子自水面逸出，同時，進入空中的水分子又有一部分重新回到水中。實際水面蒸發(fā)量應該是水面逸出來的水分子與重新回到水中水分子的差值。從水中逸出水分子的活動程度隨著氣溫、水面溫度、水汽飽和差和風速等氣象因素而變化。水溫愈高，水分子內能愈大，蒸發(fā)愈快；水面上水汽飽和差大、風速大，蒸發(fā)也快。因此，對水體而言，蒸發(fā)是一個失熱冷卻過程。

灰色關聯分析方法是將因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，即“灰色關聯度”，作為衡量因素間關聯程度的方法之一。該方法基本思想是根據比較數集的曲線族與參考數列曲線之間的幾何相似度來確定比較數集與參考數列間的關聯度。比較數列構成的曲線與參考數列曲線的幾何形狀越相似，其關聯度越大。本文將巴東站收集的氣象因子，采用灰色相關分析法進行分析，得出巴東陸上、漂浮蒸發(fā)量影響因子的關聯度排序，見圖1，2。

圖1 陸上氣象因子與蒸發(fā)量關聯度

圖2 漂浮氣象因子與蒸發(fā)量關聯度

由圖1，2可知，陸上氣象因子關聯度大于0.8的有水汽壓差、日照、氣溫、水溫，這是影響陸上蒸發(fā)量的主要因素；漂浮氣象因子大于0.8的有日照、氣溫、水溫、江水水溫，即影響漂浮蒸發(fā)量的主要因素。資料分析顯示，漂浮蒸發(fā)池內水溫與水溫因子(江水水溫與氣溫加權計算，江水水溫占80%，氣溫占20%)相關性0.995 2，陸上蒸發(fā)池內水溫與陸上氣溫相關性0.991。陸上、漂浮蒸發(fā)影響因子中的氣溫和日照等相差較小，說明巴東陸上與漂浮水面蒸發(fā)差異的主要影響因子為江水水溫，而庫區(qū)沿程江水水溫變化趨勢與巴東江水水溫變化趨勢與特點一致。結合巴東站地理位置代表性和庫區(qū)氣溫、蒸發(fā)等變化規(guī)律，采用巴東漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數[10-11]表示庫區(qū)整體蒸發(fā)的平均情況具有較高的代表性，可用于三峽庫區(qū)水面蒸發(fā)的估算。分別計算巴東站漂浮與陸上多年月平均蒸發(fā)量和多年年平均蒸發(fā)量的比值，得出漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數(Ew/El)，見表1。

表1 漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數

2 庫區(qū)陸上水面蒸發(fā)量

為了準確反映三峽庫區(qū)水面蒸發(fā)量變化規(guī)律[12]、提高庫區(qū)蒸發(fā)的代表性，經分析后選擇三峽庫區(qū)沙坪壩、長壽、涪陵、豐都、忠縣、奉節(jié)、巫山、巴東站8個氣象站點作為代表站，資料年限為1990～2021年，各站空間分布見圖3。

圖3 三峽庫區(qū)氣象站點分布

采用泰森多邊形法劃分各氣象站代表三峽庫區(qū)區(qū)域權重，見表2。

已知各氣象站控制權重r，則水面蒸發(fā)E為

(1)

利用庫區(qū)各站多年陸上觀測蒸發(fā)量數據(統(tǒng)一換算到中國標準蒸發(fā)儀器E601B對應的監(jiān)測值[12])，計算庫區(qū)各站多年月平均蒸發(fā)量，乘以各站權重，即可得到庫區(qū)陸上水面逐月平均蒸發(fā)量。再根據漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數即可得庫區(qū)漂浮水面月平均蒸發(fā)量，見表3。

表2 各氣象站點所占權重

表3 三峽庫區(qū)漂浮、陸上逐月平均蒸發(fā)量

3 庫區(qū)水位面積

3.1 三峽建庫前后水位

根據三峽水庫水位變化規(guī)律和壩前水位代表站數據系列，采用壩前茅坪(二)站蓄水前后水位資料，分3個時段計算三峽水庫不同蓄水階段月平均水位，T1時段為建庫前1987～2002年，T2時段為試驗性蓄水期2003～2008年，T3時段為2009～2021年正常運行期，計算結果見表4。

表4 三峽庫區(qū)壩前月平均水位統(tǒng)計

3.2 庫區(qū)水位面積

(1) 蓄水前。采用長江水利委員會水文局1998年實測的三峽大壩壩址至江津固定斷面資料，利用斷面法進行水面面積計算，建立三峽水庫蓄水運行前的壩址水位與水面面積關系：

F=0.4133Z3-91.001Z2+

6685.8Z-163398

(2)

式中：F為水面面積，km2；Z為蓄水前壩址水位，m。

(2) 蓄水后。根據三峽庫區(qū)地形測量數據，利用長江水沙管理系統(tǒng)GeoHydrology2.0對河道地形矢量化成果進行水面面積量算，運用確定最優(yōu)庫容計算方法，獲得2003年、2006年、2011年三峽水庫(含三峽-葛洲壩兩壩間)不同蓄水階段181 m下水面面積和庫容，并分水位級考慮水庫干支流未測區(qū)域水面面積及茅坪溪改道前的水面面積，建立三峽水庫蓄水運行后的壩前水位與水面面積關系：

F=0.1114Z′2-19.81Z′+1074.2

(3)

式中：Z′為蓄水后壩前茅坪(二)站水位，m。

4 庫區(qū)水面蒸發(fā)量

庫區(qū)水域水面蒸發(fā)損失量[13]計算式：

W=E×F

(4)

式中：W為月(年)水面蒸發(fā)水量，m3；E為庫區(qū)月(年)水面蒸發(fā)量，m。

采用三峽水庫建庫前后月平均水位，根據式(2)和(3)計算不同水位下庫區(qū)水域平均水面面積，再根據式(4)計算相應時段庫區(qū)水域蒸發(fā)損失量，見表5。

表5 三峽庫區(qū)水域面積各時段逐月水面平均蒸發(fā)損失量

由表5可知，三峽水庫在蓄水前(1987～2002年)，庫區(qū)水域年平均水面蒸發(fā)損失量約3.202億m3；三峽水庫蓄水運用初期(2003～2008年)，庫區(qū)水域年平均水面蒸發(fā)損失量增加到約4.575億m3；水庫正常運行后(2009～2021年)，庫區(qū)水域年平均水面蒸發(fā)損失量最大，約6.814億m3，是建庫蓄水前的2.13倍，約為采用陸上蒸發(fā)折算系數估算三峽庫區(qū)水面蒸發(fā)損失量[13]的兩倍。其中，自2003年以來，三峽建庫后庫區(qū)水域年平均蒸發(fā)損失量約6.107億m3，較2003年以前未建庫時增加了約2.895億m3。

5 庫區(qū)蒸發(fā)量

三峽水庫正常運行后，受水庫調度影響，庫區(qū)水域面積隨之變動，蒸發(fā)量也發(fā)生變化，現分別計算T1時段與T3時段庫區(qū)相應水域面積的蒸發(fā)量，分析蓄水前后因調度造成的蒸發(fā)損失。三峽庫區(qū)屬于濕潤地區(qū)，陸地蒸發(fā)量采用相應E601B陸上水面蒸發(fā)數據。T1時段庫區(qū)蒸發(fā)量：ET1=E水面+E陸地，其中E水面為建庫前多年平均水域漂浮水面蒸發(fā)量，E陸地為T3時段與T1時段相應庫區(qū)水域面積差的庫區(qū)陸地蒸發(fā)量。T3時段庫區(qū)蒸發(fā)量為庫區(qū)水域面積漂浮水面蒸發(fā)量。

由圖4可計算出，T1時段庫區(qū)年平均蒸發(fā)損失量 6.126億m3，T3時段庫區(qū)年平均蒸發(fā)損失量6.814億m3，凈增加11.2%，兩時段年平均蒸發(fā)損失量相差較小，但年內分布差異較大，T3時段10～12月總量明顯大于T1相應時段，時段蒸發(fā)量為2.305億m3，占年蒸發(fā)量的33.8%，而7～9月蒸發(fā)量僅為1.772億m3，占年蒸發(fā)量的26.0%。T1時段月最大蒸發(fā)損失量在9月，T3時段月最大蒸發(fā)損失量出現在11月；產生上述變化的主要原因是水庫調度造成冬季水域面積較大以及冬季漂浮水面蒸發(fā)量大于陸上水面蒸發(fā)量。

圖4 T1時段與T3時段逐月平均蒸發(fā)損失量

6 結 語

本文結合巴東站水面蒸發(fā)的主要影響因子及代表性測站，采用巴東站漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數來計算庫區(qū)蒸發(fā)整體情況，結果具有較高的代表性，能夠反映三峽庫區(qū)水面蒸發(fā)的變化規(guī)律，較采用陸上蒸發(fā)折算系數估算三峽庫區(qū)水面蒸發(fā)損失量更能體現水庫調度的影響。三峽水庫建庫前后庫區(qū)多年平均水面蒸發(fā)損失量對比結果表明，建庫后水面蒸發(fā)量明顯增大。水庫正常運行后(2009～2021年)水面蒸發(fā)損失量為建庫前的2.13倍。由三峽庫區(qū)多年平均蒸發(fā)損失量對比可知，水庫正常運行后(2009～2021年)蒸發(fā)量略大于建庫前(1987～2002年)，但受水庫調度及漂浮水面蒸發(fā)年內分布特征的影響，年內分布變化較大，庫區(qū)年蒸發(fā)損失量由建庫前主要集中在7～9月變?yōu)樗畮煺＿\行后主要集中在10～12月，月最大蒸發(fā)損失量由出現在建庫前的9月變?yōu)槌霈F在水庫正常運行后的11月。