三峡水库水面蒸发量估算

王玉涛，林涛涛

(长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

三峡水利枢纽工程地处四川盆地与长江中下游平原结合部，控制长江上游流域面积约100万km2，占长江流域总面积的55.6%。三峡水库蓄水后形成库区长超663 km，属河道型水库，平均宽度1.63 km，水面面积超1 000 km2，总库容393亿m3。三峡水库除了发挥防洪、发电和航运等功能外，也是重要水源地。水面蒸发量是自然水体损失的主要部分[1-2]，是自然界水循环中最基本的因素之一，是水量平衡的重要组成部分，也是水库、湖泊等自然水体水量损失的主要部分。结合中国水面蒸发[1]研究的情况，为准确估算水库水面蒸发量[2-4]，前人做了大量研究：闵骞等开展了鄱阳湖水面蒸发[5-7]计算与分析，为水库水面蒸发的计算提供了方向；倪振行在漂浮水面蒸发[8-9]的观测、代表性以及水库水面蒸发的推算方面提出建议。本文分析三峡水库库区水面蒸发损失，对于掌握水库水沙变化规律、科学开展三峡水利枢纽运行调度意义重大。

近年来，在三峡水库水面蒸发量计算中，一般采用陆上E601B型蒸发数据进行折算，数据代表性较差，特别是对水域面积变化带来的蒸发量变化考虑较少。2013年8月1日，在距三峡大坝71 km的三峡库区巴东河段设立了巴东漂浮水面蒸发实验站(以下简称“巴东站”)，填补了三峡库区漂浮水面蒸发观测的空白，为分析库区水面蒸发损失提供了依据。巴东站设有陆上蒸发观测场和漂浮观测场，陆上观测场位于长江干流右岸，场地高程183 m(吴淞，下同)；漂浮蒸发观测场场地高程145～175 m，位于长江干流航道右侧。观测项目包括降水量、蒸发量、气温、湿度、气压、水汽压、风速风向、水温(蒸发池内)、日照、江水水温等。本文根据巴东站2013年8月至2021年12月实测数据对三峡水库水面蒸发量及其影响因子进行分析。

1 漂浮与陆上蒸发换算系数

水面蒸发过程是水从液态转化为气态的过程，是水分子运动的结果。在蒸发过程中，活跃的水分子自水面逸出，同时，进入空中的水分子又有一部分重新回到水中。实际水面蒸发量应该是水面逸出来的水分子与重新回到水中水分子的差值。从水中逸出水分子的活动程度随着气温、水面温度、水汽饱和差和风速等气象因素而变化。水温愈高，水分子内能愈大，蒸发愈快；水面上水汽饱和差大、风速大，蒸发也快。因此，对水体而言，蒸发是一个失热冷却过程。

灰色关联分析方法是将因素之间发展趋势的相似或相异程度，即“灰色关联度”，作为衡量因素间关联程度的方法之一。该方法基本思想是根据比较数集的曲线族与参考数列曲线之间的几何相似度来确定比较数集与参考数列间的关联度。比较数列构成的曲线与参考数列曲线的几何形状越相似，其关联度越大。本文将巴东站收集的气象因子，采用灰色相关分析法进行分析，得出巴东陆上、漂浮蒸发量影响因子的关联度排序，见图1，2。

图1 陆上气象因子与蒸发量关联度

图2 漂浮气象因子与蒸发量关联度

由图1，2可知，陆上气象因子关联度大于0.8的有水汽压差、日照、气温、水温，这是影响陆上蒸发量的主要因素；漂浮气象因子大于0.8的有日照、气温、水温、江水水温，即影响漂浮蒸发量的主要因素。资料分析显示，漂浮蒸发池内水温与水温因子(江水水温与气温加权计算，江水水温占80%，气温占20%)相关性0.995 2，陆上蒸发池内水温与陆上气温相关性0.991。陆上、漂浮蒸发影响因子中的气温和日照等相差较小，说明巴东陆上与漂浮水面蒸发差异的主要影响因子为江水水温，而库区沿程江水水温变化趋势与巴东江水水温变化趋势与特点一致。结合巴东站地理位置代表性和库区气温、蒸发等变化规律，采用巴东漂浮与陆上蒸发换算系数[10-11]表示库区整体蒸发的平均情况具有较高的代表性，可用于三峡库区水面蒸发的估算。分别计算巴东站漂浮与陆上多年月平均蒸发量和多年年平均蒸发量的比值，得出漂浮与陆上蒸发换算系数(Ew/El)，见表1。

表1 漂浮与陆上蒸发换算系数

2 库区陆上水面蒸发量

为了准确反映三峡库区水面蒸发量变化规律[12]、提高库区蒸发的代表性，经分析后选择三峡库区沙坪坝、长寿、涪陵、丰都、忠县、奉节、巫山、巴东站8个气象站点作为代表站，资料年限为1990～2021年，各站空间分布见图3。

图3 三峡库区气象站点分布

采用泰森多边形法划分各气象站代表三峡库区区域权重，见表2。

已知各气象站控制权重r，则水面蒸发E为

(1)

利用库区各站多年陆上观测蒸发量数据(统一换算到中国标准蒸发仪器E601B对应的监测值[12])，计算库区各站多年月平均蒸发量，乘以各站权重，即可得到库区陆上水面逐月平均蒸发量。再根据漂浮与陆上蒸发换算系数即可得库区漂浮水面月平均蒸发量，见表3。

表2 各气象站点所占权重

表3 三峡库区漂浮、陆上逐月平均蒸发量

3 库区水位面积

3.1 三峡建库前后水位

根据三峡水库水位变化规律和坝前水位代表站数据系列，采用坝前茅坪(二)站蓄水前后水位资料，分3个时段计算三峡水库不同蓄水阶段月平均水位，T1时段为建库前1987～2002年，T2时段为试验性蓄水期2003～2008年，T3时段为2009～2021年正常运行期，计算结果见表4。

表4 三峡库区坝前月平均水位统计

3.2 库区水位面积

(1) 蓄水前。采用长江水利委员会水文局1998年实测的三峡大坝坝址至江津固定断面资料，利用断面法进行水面面积计算，建立三峡水库蓄水运行前的坝址水位与水面面积关系：

F=0.4133Z3-91.001Z2+

6685.8Z-163398

(2)

式中：F为水面面积，km2；Z为蓄水前坝址水位，m。

(2) 蓄水后。根据三峡库区地形测量数据，利用长江水沙管理系统GeoHydrology2.0对河道地形矢量化成果进行水面面积量算，运用确定最优库容计算方法，获得2003年、2006年、2011年三峡水库(含三峡-葛洲坝两坝间)不同蓄水阶段181 m下水面面积和库容，并分水位级考虑水库干支流未测区域水面面积及茅坪溪改道前的水面面积，建立三峡水库蓄水运行后的坝前水位与水面面积关系：

F=0.1114Z′2-19.81Z′+1074.2

(3)

式中：Z′为蓄水后坝前茅坪(二)站水位，m。

4 库区水面蒸发量

库区水域水面蒸发损失量[13]计算式：

W=E×F

(4)

式中：W为月(年)水面蒸发水量，m3；E为库区月(年)水面蒸发量，m。

采用三峡水库建库前后月平均水位，根据式(2)和(3)计算不同水位下库区水域平均水面面积，再根据式(4)计算相应时段库区水域蒸发损失量，见表5。

表5 三峡库区水域面积各时段逐月水面平均蒸发损失量

由表5可知，三峡水库在蓄水前(1987～2002年)，库区水域年平均水面蒸发损失量约3.202亿m3；三峡水库蓄水运用初期(2003～2008年)，库区水域年平均水面蒸发损失量增加到约4.575亿m3；水库正常运行后(2009～2021年)，库区水域年平均水面蒸发损失量最大，约6.814亿m3，是建库蓄水前的2.13倍，约为采用陆上蒸发折算系数估算三峡库区水面蒸发损失量[13]的两倍。其中，自2003年以来，三峡建库后库区水域年平均蒸发损失量约6.107亿m3，较2003年以前未建库时增加了约2.895亿m3。

5 库区蒸发量

三峡水库正常运行后，受水库调度影响，库区水域面积随之变动，蒸发量也发生变化，现分别计算T1时段与T3时段库区相应水域面积的蒸发量，分析蓄水前后因调度造成的蒸发损失。三峡库区属于湿润地区，陆地蒸发量采用相应E601B陆上水面蒸发数据。T1时段库区蒸发量：ET1=E水面+E陆地，其中E水面为建库前多年平均水域漂浮水面蒸发量，E陆地为T3时段与T1时段相应库区水域面积差的库区陆地蒸发量。T3时段库区蒸发量为库区水域面积漂浮水面蒸发量。

由图4可计算出，T1时段库区年平均蒸发损失量 6.126亿m3，T3时段库区年平均蒸发损失量6.814亿m3，净增加11.2%，两时段年平均蒸发损失量相差较小，但年内分布差异较大，T3时段10～12月总量明显大于T1相应时段，时段蒸发量为2.305亿m3，占年蒸发量的33.8%，而7～9月蒸发量仅为1.772亿m3，占年蒸发量的26.0%。T1时段月最大蒸发损失量在9月，T3时段月最大蒸发损失量出现在11月；产生上述变化的主要原因是水库调度造成冬季水域面积较大以及冬季漂浮水面蒸发量大于陆上水面蒸发量。

图4 T1时段与T3时段逐月平均蒸发损失量

6 结 语

本文结合巴东站水面蒸发的主要影响因子及代表性测站，采用巴东站漂浮与陆上蒸发换算系数来计算库区蒸发整体情况，结果具有较高的代表性，能够反映三峡库区水面蒸发的变化规律，较采用陆上蒸发折算系数估算三峡库区水面蒸发损失量更能体现水库调度的影响。三峡水库建库前后库区多年平均水面蒸发损失量对比结果表明，建库后水面蒸发量明显增大。水库正常运行后(2009～2021年)水面蒸发损失量为建库前的2.13倍。由三峡库区多年平均蒸发损失量对比可知，水库正常运行后(2009～2021年)蒸发量略大于建库前(1987～2002年)，但受水库调度及漂浮水面蒸发年内分布特征的影响，年内分布变化较大，库区年蒸发损失量由建库前主要集中在7～9月变为水库正常运行后主要集中在10～12月，月最大蒸发损失量由出现在建库前的9月变为出现在水库正常运行后的11月。