衡水湖水面蒸发量变化特征分析

袁子琦

（河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水 053000）

1 概况

衡水湖是华北平原第二大淡水湖，原名千顷洼，1958 年开始筑堤建闸蓄水后改名为衡水湖，被誉为“燕赵最美湿地”“东亚蓝宝石”。衡水湖在20世纪80—90年代陆续出现干涸情况，1994年引水补充水源后情况有所好转，再未出现干涸。所有入湖口均设有闸门，使衡水湖成为一个与河渠没有直接水循环联系的“独立”湖泊，仅依靠人工输水补水，呈现出明显的生态脆弱性，具有其他湖泊没有的特殊性[1]。

衡水湖地处暖温带大陆性、半湿润半干旱季风气候区，四季分明，冬夏长、春秋短，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季气候凉爽，冬季寒冷少雪。年平均气温12.7℃，最低气温为-23.0℃，最高气温为42.7℃；1 月最冷，月平均气温-3.1℃；7 月最热，月平均气温26.9℃。常年以偏南风为主，每年3—6 月为多风期，记录到的最大风速为28 m/s（西北风）[2]。

2 水面蒸发量

蒸发是河流、湖泊、水库等水体水量损失的重要组成部分，是自然界中水体循环的重要环节。蒸发资料在水文计算、水资源规划利用中是必不可少的一项，特别是在水资源严重短缺的情况下，水体蒸发研究有利于合理开发利用有限的水资源。水体蒸发量一般采用间接资料分析获得。

目前，中国水体蒸发量计算大多利用蒸发皿（池）观测的陆地水面蒸发量换算而来。但是，蒸发皿（池）观测到的蒸发量一般情况下比实际水面蒸发值偏大，因为蒸发皿（池）的材质构造以及蒸发皿（池）周围的风速、温度等自然环境均与天然水体不同。因此，天然水体的蒸发量需要用蒸发皿（池）的观测值乘以一个折减系数求得[3]。

大量实验结果表明，小型蒸发皿（池）观测到的蒸发值与天然水体蒸发量也有一定差异，当蒸发皿（池）面积超过20 m2时，蒸发皿（池）观测到的蒸发值基本与天然水体蒸发量相同。因此，利用小型蒸发皿（池）观测的蒸发量推算天然水体蒸发量公式为：

式中：E天然表示天然水体蒸发量（mm）；K为折减系数；E仪器表示蒸发皿（池）观测到的蒸发值（mm）。

利用面积超过20 m2蒸发皿（池）观测的蒸发量推算天然水体蒸发量公式为：

式中：E天然表示天然水体蒸发量（mm）；E仪器表示蒸发皿（池）观测到的蒸发值（mm）。

3 衡水湖水面蒸发量

利用衡水水文实验站20 m2蒸发池观测到的蒸发值，同步计算衡水湖水面蒸发量，公式如下：

式中：E衡水湖表示衡水湖水面蒸发量（万m3）；K为折算系数；A水面面积表示衡水湖的水面面积（km2）；E水面蒸发表示衡水水文实验站测得的蒸发量（mm）[4]。

利用衡水湖2012—2021 年逐月平均水位推得其对应的月平均面积，整理衡水水文实验站20 m2蒸发池观测到的蒸发值，推算衡水湖水面蒸发量，计算结果详见表1。

表1 衡水湖水面逐月蒸发量万m3

4 衡水湖水面蒸发量变化特征

4.1 衡水湖水面蒸发量年内变化特征

衡水湖水源主要包括西南部汇水、引蓄卫运河和黄河之水，年内大部分时间常态化引水。衡水湖水量除蒸发、渗漏等自然消耗外，还为衡水市工农业用水提供保障。衡水湖是目前华北平原最大的淡水湖之一，该湖属于平原淡水湖泊，水量的变化会引起水位的变化，而湖面面积与水位的变化趋势基本一致。2012—2021 年衡水湖月平均湖面面积，如图1所示。

图1 2012—2021年衡水湖月平均湖面面积

衡水湖水面蒸发量变化较大，主要受温度、气流速度以及太阳辐射等因素影响。通过整理、计算2012—2021 年相关数据，得出衡水湖水面蒸发量平均值为3 187 万m3。其中，1 月蒸发量为69.6 万m3，约占全年蒸发总量的2.18%，为全年最小；6 月蒸发量为496.8万m3，约占全年蒸发总量的15.59%，为全年最大。2012—2021 年衡水湖逐月平均蒸发量，如图2所示。

图2 2012—2021年衡水湖逐月平均蒸发量

衡水湖水面蒸发量年内变化情况：春季（3—5月）蒸发量为964.1 万m3，约占全年总量的30.25%；夏季（6—8月）蒸发量为1 327.9万m3，约占全年总量的41.67%；秋季（9—11 月）蒸发量为652.0 万m3，约占全年总量的20.46%；冬季（12—次年2 月）蒸发量为242.8万m3，约占全年总量的7.62%。

4.2 衡水湖水面蒸发量年际变化特征

衡水湖水面蒸发量年际变化不但受气温、风速等气候因素影响，还受蓄水量、工农业用水、水面面积、湖内动植物生长情况等因素影响。收集整理2012—2021 年衡水水文实验站20 m2蒸发池的观测数据，推算出2012—2021 年衡水湖逐年水面蒸发量，计算结果详见表2。

表2 2012—2021年衡水湖逐年水面蒸发量万m3

4.2.1 极值差分析

极值差是指观测变量的最大值与最小值之差，也可以称为最大值与最小值的区间跨度，计算公式如下：

式中：R为极值差（万m3）；max(Xi)为最大蒸发量（万m3）；min(Xi)为最小蒸发量（万m3）。

极值差数值的变化，在一定程度上可以反映该地区自然特征的变化。衡水湖2019 年水面蒸发量最大为3 487.5 万m3，2016 年水面蒸发量最小为2 915.4 万m3，极值差为572.1 万m3。通过极值差可以发现，2012—2021 年衡水湖最大水面蒸发量与最小水面蒸发量相差572.1 万m3，水面蒸发量的变化对该地区环境和气候的影响很大，极值差更能体现该地区蒸发量年际变化的情况[5]。

4.2.2 极值比分析

极值比是指观测变量的最大值与最小值之比，计算公式如下：

式中：Ka为极值比；max(Xi)为最大蒸发量（万m3）；min(Xi)为最小蒸发量（万m3）。

极值比越小，蒸发量年际变化越均匀；极值比越大，蒸发量年际变化越大。衡水湖2019 年水面蒸发量最大为3 487.5 万m3，2016 年水面蒸发量最小为2 915.4 万m3，极值比为1.20。极值比在相对角度反映衡水湖蒸发量年际变化情况。

4.2.3 变差系数分析

变差系数又称为离差系数，是指均方差与均值之比，用于衡量系列数据相对离散的系数。变差系数越大，系列数值中各项较均值离散越大；变差系数越小，系列数值中各项较均值离散越小[6]。其计算公式如下：

式中：Cv为年蒸发量变差系数；xi为蒸发量系列数值中第i项值（万m3）；-x为蒸发量系列数值所有项平均值（万m3）；n为蒸发量系列数值总数量。

变差系数越大，表示衡水湖年蒸发量年际变化越大，反之就越小。采用2012—2021 年衡水湖蒸发量数据计算，得变差系数为0.06。

除降水量、气温、风向风速、气压等气候因素影响衡水湖水面蒸发量年际变化外，引水水质、年度用水量、年度蓄水量等因素也会对衡水湖内动植物、水面面积形成影响，进而造成蒸发量的年际变化。

5 结语

水面蒸发量观测仪器受多种因素限制，天然水体蒸发量通常直接采用E601型蒸发皿观测数据，但E601 型蒸发皿观测数据又与实际蒸发值存在一定误差。大水体蒸发池观测数据可以很好地体现天然水体蒸发量变化，通过衡水水文实验站20 m2蒸发池观测数据，同步计算出衡水湖水面蒸发量。

衡水湖水面蒸发量年内变化受季节影响较为明显，春季（3—5 月）蒸发量约占全年总量的30.25%，夏季（6—8月）蒸发量约占全年总量的41.67%，秋季（9—11月）蒸发量约占全年总量的20.46%，冬季（12—次年2 月）蒸发量约占全年总量的7.62%；衡水湖水面蒸发量多年平均值为3 187 万m3，极值差572.1万m3，极值比1.20，变差系数0.06。多年来，衡水湖水面蒸发量约为引水量的50%，是衡水湖水量损耗中的重要组成部分，与衡水湖水平衡计算分析关系密切。在衡水湖水量的计算分析中，加入衡水湖蒸发量可以大大减小水平衡分析的误差，为引水工作、湿地生态保护、工农业用水等提供科学依据。衡水湖的蒸发量计算对研究、保护以及利用衡水湖湿地生态环境有着极其重要的理论及实践意义。