懷柔水庫水面蒸發(fā)量及變化特征分析

北京市京密引水管理處，北京 101400

1 區(qū)域概況

懷柔水庫位于北京懷柔城區(qū)西側(cè)，上游有南、北兩支支流，南支為懷九河、北支為懷沙河，下游為懷河，控制流域面積為525km2。流域多年平均降水量為603mm（1956—2019年），年最大降水量為1118.2mm（1969年），年最小降水量為343mm（1962年）。懷柔水庫總庫容為1.44億m3，工程規(guī)模為大（二）型水庫。其與京密引水渠相連，主要作用為調(diào)蓄供水、攔洪防汛，以及作為南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程的中間調(diào)節(jié)庫。懷柔水庫庫區(qū)水文站于20世紀(jì)70年代開始蒸發(fā)觀測，采用20cm口徑蒸發(fā)皿，每日記錄觀測數(shù)據(jù)。2004年6月起，加裝了E601型蒸發(fā)器，可與20cm口徑蒸發(fā)皿進(jìn)行對比觀測。

2 懷柔水庫水面蒸發(fā)量的計(jì)算

2.1 蒸發(fā)器的選擇

在20世紀(jì)80年代初期，國際氣象組織儀器和觀測方法委員會提出以20m2水面蒸發(fā)池作為水面蒸發(fā)量的國際標(biāo)準(zhǔn)。若水庫或湖泊附近從未建有20m2蒸發(fā)池，則可利用E601型蒸發(fā)器的觀測值近似計(jì)算水庫、湖泊水面蒸發(fā)量[1]。但冬天受冰凍影響，E601型蒸發(fā)器的觀測值誤差較大，因而可利用20cm口徑蒸發(fā)皿替代其進(jìn)行觀測[2]。

2.2 水庫水面蒸發(fā)量的計(jì)算

（1）折算系數(shù)計(jì)算。不同蒸發(fā)器，由于周圍熱動(dòng)力條件不同，因此蒸發(fā)量也不相同。當(dāng)需要用20cm口徑蒸發(fā)皿代替E601型蒸發(fā)器進(jìn)行觀測時(shí)，需求出二者的折算系數(shù)，可按下式計(jì)算：

式中：k為折算系數(shù)；E601為E601型蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量，mm；E20為20cm口徑蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量，mm。

利用懷柔水庫水文站E601型蒸發(fā)器和20cm口徑蒸發(fā)皿2005—2019年的同步觀測資料進(jìn)行分析，計(jì)算兩種觀測儀器各月的水面蒸發(fā)量折算系數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，懷柔水庫E601型蒸發(fā)器與20cm口徑蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量折算系數(shù)在0.50～0.72，多年平均值為0.63。

（2）水庫水面蒸發(fā)量計(jì)算。根據(jù)懷柔水庫蒸發(fā)資料可知，每年的1—3月、11—12月為冰凍期，此時(shí)，采用20cm口徑蒸發(fā)皿的觀測數(shù)據(jù)和當(dāng)月折算系數(shù)來推求E601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。然后利用蒸發(fā)資料和水庫水面面積，以月為計(jì)算時(shí)段，計(jì)算懷柔水庫水面蒸發(fā)量。

式中：Ei，水庫為第i月水庫蒸發(fā)量，萬 m3；Ai，水面面積為第i月水庫平均水位相應(yīng)的水面面積，km2；Ei，天然為第i月天然水體水面蒸發(fā)量，即E601型蒸發(fā)器的觀測值，mm。

根據(jù)公式（2）計(jì)算得到懷柔水庫2005—2019年水面蒸發(fā)量，結(jié)果見表1。

表1 懷柔水庫2005—2019年逐月蒸發(fā)量計(jì)算表 單位：萬m3

2.3 水面蒸發(fā)量變化特征

（1）蒸發(fā)量年內(nèi)分配情況。根據(jù)懷柔水庫2005—2019年逐月蒸發(fā)量計(jì)算表，繪制懷柔水庫水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化柱狀圖，見圖1。

圖1 懷柔水庫水面蒸發(fā)量平均值逐月分配圖

從圖1可以看出，懷柔水庫的水面蒸發(fā)規(guī)律如下：11月—次年2月蒸發(fā)量較小，最小值出現(xiàn)在1月，1月平均蒸發(fā)量為16.6萬m3；3—10月蒸發(fā)量較大，最大值出現(xiàn)在5月，5月平均蒸發(fā)量可達(dá)91.8萬m3，是月平均蒸發(fā)量最小值的5.5倍。這是因?yàn)椋狈降貐^(qū)5月氣溫雖然不是全年最高的，但空氣干燥、風(fēng)速大，蒸發(fā)損失也就越大；隨著氣溫的逐漸降低，水庫水面開始逐漸結(jié)冰，一般從11月底—次年3月初處于封凍期，此時(shí)水與空氣之間有冰層的存在，減少了水面與空氣的接觸面積，從而使水面蒸發(fā)量明顯減少。

（2）蒸發(fā)量年際分配情況。根據(jù)懷柔水庫2005—2019年逐月蒸發(fā)量計(jì)算表，繪制懷柔水庫水面蒸發(fā)量年際變化柱狀圖，見圖2。

圖2 懷柔水庫水面蒸發(fā)量逐年分配表

水面蒸發(fā)量的年際分配情況可通過計(jì)算年際間的變差系數(shù)來分析[3]，公式如下：

式中：Cv為變差系數(shù)；n為統(tǒng)計(jì)量的個(gè)數(shù)；Ki為模比系數(shù)；Xi為年蒸發(fā)量，萬m3；為年蒸發(fā)量均值，萬m3。經(jīng)計(jì)算，懷柔水庫水面蒸發(fā)量年際變差系數(shù)為0.07，年際值比為1.37，可知年際間的變化較小。

（3）單位面積水面蒸發(fā)量計(jì)算。利用懷柔水庫2005—2019年的年均水位面積和年內(nèi)蒸發(fā)總量，可分別計(jì)算出懷柔水庫多年平均水面蒸發(fā)量為597萬m3，單位面積水面蒸發(fā)量為86萬m3/km2，見表2。

表2 懷柔水庫單位面積蒸發(fā)量計(jì)算

3 結(jié)論

（1）懷柔水庫的E601型蒸發(fā)器與20cm口徑蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量折算系數(shù)在0.50～0.72，多年平均值為0.63。比較兩種蒸發(fā)器的數(shù)據(jù)的比值是否符合折算系數(shù)，避免出現(xiàn)人為讀數(shù)誤差。當(dāng)其中一種蒸發(fā)器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致缺測或數(shù)據(jù)欠準(zhǔn)時(shí)，可利用折算系數(shù)和另一種蒸發(fā)器進(jìn)行輔助計(jì)算。（2）懷柔水面蒸發(fā)量年內(nèi)分配不均，5月為蒸發(fā)量最大的月份；年際間變化不大，多年平均蒸發(fā)量呈逐漸增加趨勢。