喀什河流域平原水库蒸发规律研究

赵大壮

（伊犁水文勘测局,新疆 伊宁 835000）

0 引言

在干旱区水资源循环中,水面蒸发发挥着重要作用,也是区域水资源循环中最直接受到自然地理条件、气候变化及下垫面影响的要素。区域大水体水面蒸发对大气环流和区域性降水均有较大影响,通过研究大水体水面蒸发规律,对深入研究地理环境及气候变化规律,进一步探寻气候变换的原因意义重大。国内外研究大水体水面蒸发规律的时间由来已久,研究成果也颇为丰富。基于地区气象及蒸发资料并结合区域地理位置及气候条件,通过修正彭曼公式和道尔顿模型参数以开发出不同蒸发模型[1],可以得到较好的单站水面蒸发量模拟效果,但是这种水面蒸发模型具有非常明显的区域适用性和局限性,异地使用后效果不理想。新疆地区作为内陆干旱区,大水体水面蒸发异常强烈,当前,全新疆已建成的水库中平原水库占比在90%以上,根据统计资料,平原水库水面蒸发损失量在入库水量中占比30%～60%,平原水库水资源利用率较低。为此,必须展开新疆干旱区平原水库水面蒸发漏损规律分析,探讨减少平原水库水面蒸发漏损的可行之策,切实提高水资源利用效率。

1 流域概况

喀什河流域是伊犁河上游第二大支流, 发源于天山与依连哈比尔尕山交接的高山冰川地带, 流域主要流经亚欧大陆腹地的温带大陆性气候区, 河流长304 km, 流域总面积9543 km2,河源海拔及流域海拔分别为3600 m 和800 m～4600 m 之间,呈西北地东西高地势；河道较为顺直,并大致呈现为羽毛形状,支流广布且短小,包尔包斯河、寨口河等均为较大支流。流域多年干旱少雨,年降水量均值为47.5 mm,年蒸发量均值2100 mm,流域内当前三座大型的平原水库分别为吉林台一级水库、吉林台二级水库、温泉水库,三座水库总库容7.964×108m3,年平均水面面积257.1 km2,年蒸发量均值1.648×108m3,在总库容中占比20%～30%,水库水资源利用效率低下。

2 流域平原水库蒸发规律

2.1 数据选取

为揭示和分析喀什河流域平原水库年内及年际蒸发规律,进行蒸发量和水面面积、气温等影响因素关系的分析,选择喀什河流域水平衡试验站1991 年～2020 年20 m2蒸发池和20 cm 蒸发皿的蒸发数据,进行该流域平原水库年蒸发量计算[2]。1991 年～2020 年喀什河流域水平衡试验站20 m2蒸发池月平均蒸发量和20 cm 蒸发皿的月平均蒸发量变动趋势具体见图1。从图中明显看出,流域水平衡站20 m2蒸发池月平均蒸发量最大为354 mm,而20 cm 蒸发皿的月平均蒸发量最大仅为186 mm。平原水库水面蒸发损失量可采取两种计算方法：一是世界气象组织蒸发组所提出的以20 m2蒸发池实际蒸发量观测结果为水库水面蒸发量代表,据此计算水库水面蒸发损失水量,公式如下：

式中：W为水库水面月蒸发损失水量值,m3；E0为水库水面月蒸发量观测值,mm；F为水库水面面积, m2。

二是根据蒸发皿实际观测资料进行水库水面蒸发量计算,再推算出水库水面蒸发损失水量,公式如下：

式中：B为月水位均值对应的库水面面积,m2；a为蒸发皿水面蒸发量折算系数；Es为陆地蒸发皿月水面蒸发量观测值,mm；E1为水库建成前陆地月蒸发量观测值,mm。

考虑到流域平原水库实际情况及数据收集的难易程度,本文主要选用第一种算法进行喀什河流域平原水库水面蒸发损失水量计算。

2.2 水面蒸发量变化趋势分析

1991 年～2020 年,喀什河流域吉林台一级水库、吉林台二级水库、温泉水库水面蒸发水量年内变化趋势具体见图2～图4。通过图中分析结果可以看出,喀什河流域三座平原水库月蒸发水量存在以下变动规律：（1）平原水库蒸发水量年内分布不均,蒸发主要集中在每年的4 月～10 月,其中蒸发水量最大的月份为7 月,吉林台一级水库、吉林台二级水库、温泉水库月蒸发水量最大值分别为350.41×104m3、1328.45×104m3、720.69×104m3；蒸发量最小的月份为12 月,三座平原水库月蒸发水量最小值分别为24.98×104m3、87.47×104m3、45.14×104m3。（2）喀什河流域吉林台一级水库、吉林台二级水库、温泉水库月最大蒸发量水面面积和月最小蒸发量水面面积之比分别为0.78∶0.94∶0.92,这表明月蒸发量最大的月份和月蒸发量最小的月份所对应水库水面面积较为接近,而月蒸发量相差较大。通过分析原因发现,喀什河流域三座平原水库11 月～次年3 月因气温较低而基本处于冻结期,蒸发量非常小；4 月～10 月随着气温的回暖,水面蒸发增大,7 月份达到最大,在此期间流域三座平原水库蒸发量在全年蒸发总量中的占比分别为86.5%、85.4%河86.4%。

图2 吉林台一级水库水面蒸发量年内变化趋势

图3 吉林台二级水库水面蒸发量年内变化趋势

图4 温泉水库水面蒸发量年内变化趋势

1991 年～2020 年,喀什河流域吉林台一级水库、吉林台二级水库、温泉水库水面蒸发量以水面面积为变量的年际变化趋势具体见图5～图7。通过图中分析结果可以看出,喀什河流域三座平原水库年际蒸发量存在以下变动规律：（1）流域平原水库水面蒸发量年际变化不大,其中吉林台一级水库水面年蒸发量最大值和最小值分别出现在2009 年和1997 年,对应的年蒸发量为1.28 m 和0.54 m,最大、最小年蒸发量水面面积比为1.56∶1；吉林台二级水库水面年蒸发量最大值和最小值分别出现在2002 年和1994 年,对应的年蒸发量为1.31 m 和0.92 m,最大、最小年蒸发量水面面积比为1.18∶1；温泉水库水面年蒸发量最大值和最小值分别出现在2004 年和1999 年,对应的年蒸发量为1.25 m 和0.87 m,最大、最小年蒸发量水面面积比为1.16∶1。根据以上分析,喀什河流域三座平原水库1991 年～2020 年水面面积及水面蒸发量年际变化均不大,这也符合流域水面面积越大、蒸发量也越大的趋势规律。相反,在喀什河流域气温月际变化较为明显的作用下,流域水面面积月际变化越小,则水面蒸发量月际变化越大,也就是说,气温是造成三座平原水库水面蒸发量月际变化较大的主要因素[3]。

图5 吉林台一级水库水面蒸发量年际变化趋势

图6 吉林台二级水库水面蒸发量年际变化趋势

图7 温泉水库水面蒸发量年际变化趋势

3 流域平原水库蒸发受气温的影响

气温、风速、湿度、日照、水气压等均对流域水面蒸发量存在一定程度影响。通过分析喀什河流域三座平原水库蒸发量变动趋势规律看出,水库蒸发量年内分布十分不均,蒸发量较大的月份大多集中在4 月～10 月。根据对1991 年～2020 年喀什河流域年内及年际气温变化趋势的分析可以看出,流域年温差较大,且流域年气温均值呈缓慢升高趋势,每10 年气温均值平均升高0.2℃,相关系数0.59,表明喀什河流域年气温均值升高趋势显著。在流域气温持续升高的影响下,其三座平原水库蒸发量也呈现出相应变化,1991 年～2020年流域三座平原水库月蒸发量与月气温变动的关系曲线见图8,1991 年～2020 年流域三座平原水库年蒸发量与年气温变动关系曲线见图9。

图8 喀什河流域平原水库月蒸发量与月平均气温关系曲线

图9 喀什河流域平原水库年蒸发量与年气温均值关系曲线

根据以上关系曲线可以看出,喀什河流域平原水库蒸发量年内变动趋势与气温年内变动趋势基本一致；考虑到流域气温年内变化较大,11 月～次年3 月气温低,对应的蒸发量小,这一时期吉林台一级水库、吉林台二级水库、温泉水库蒸发量分别为132.8 mm、164.1 mm 河148.9 mm,在水库年蒸发总量中分别占比13.5%、14.6%和13.6%。

1991 年～2020 年喀什河流域三座平原水库年际蒸发量变动趋势较为稳定,年最大、最小蒸发量之间相差不大。吉林台一级水库、吉林台二级水库、温泉水库年最大最小蒸发量之比分别为2.12、1.35 河1.19。主要原因在于影响该流域平原水库水面蒸发的气温、风速、湿度、日照等气象因素年际变化并不大。1991 年～2020 年喀什河流域气温按照0.2℃/10年的速度缓慢升高,这对平原水库蒸发量存在微小程度的影响,具体而言,吉林台一级水库、吉林台二级水库、温泉水库年际蒸发量年平均增速分别为1.46%、0.55%和0.20%。

4 结论

综上所述,大水体水面蒸发是水量平衡分析中的重要方面,当前国内外并无直接测算水面蒸发量的方法,通过分析喀什河流域平原水库蒸发损失规律,对于新疆干旱区大水体水面蒸发损失控制及水资源利用效率的提升意义重大。根据分析结果,喀什河流域三座大型平原水库水面面积年内变化并不明显,但年蒸发量变化较大,且蒸发量大多集中在4 月～10 月,这一时期三座平原水库水面蒸发量在全年蒸发总量中的占比分别为86.5%、85.4%河86.4%。喀什河流域平原水库蒸发量年内变化趋势和气温年内变化趋势较为一致,而月蒸发量则随着气温的升高而呈增大趋势。该流域近30 年来气温以0.2℃/10a 的速度上升,这对蒸发量存在微弱影响。