衡水湖水面蒸發(fā)量變化特征分析

袁子琦

（河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000）

1 概況

衡水湖是華北平原第二大淡水湖，原名千頃洼，1958 年開始筑堤建閘蓄水后改名為衡水湖，被譽為“燕趙最美濕地”“東亞藍寶石”。衡水湖在20世紀80—90年代陸續(xù)出現(xiàn)干涸情況，1994年引水補充水源后情況有所好轉(zhuǎn)，再未出現(xiàn)干涸。所有入湖口均設(shè)有閘門，使衡水湖成為一個與河渠沒有直接水循環(huán)聯(lián)系的“獨立”湖泊，僅依靠人工輸水補水，呈現(xiàn)出明顯的生態(tài)脆弱性，具有其他湖泊沒有的特殊性[1]。

衡水湖地處暖溫帶大陸性、半濕潤半干旱季風氣候區(qū)，四季分明，冬夏長、春秋短，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季氣候涼爽，冬季寒冷少雪。年平均氣溫12.7℃，最低氣溫為-23.0℃，最高氣溫為42.7℃；1 月最冷，月平均氣溫-3.1℃；7 月最熱，月平均氣溫26.9℃。常年以偏南風為主，每年3—6 月為多風期，記錄到的最大風速為28 m/s（西北風）[2]。

2 水面蒸發(fā)量

蒸發(fā)是河流、湖泊、水庫等水體水量損失的重要組成部分，是自然界中水體循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。蒸發(fā)資料在水文計算、水資源規(guī)劃利用中是必不可少的一項，特別是在水資源嚴重短缺的情況下，水體蒸發(fā)研究有利于合理開發(fā)利用有限的水資源。水體蒸發(fā)量一般采用間接資料分析獲得。

目前，中國水體蒸發(fā)量計算大多利用蒸發(fā)皿（池）觀測的陸地水面蒸發(fā)量換算而來。但是，蒸發(fā)皿（池）觀測到的蒸發(fā)量一般情況下比實際水面蒸發(fā)值偏大，因為蒸發(fā)皿（池）的材質(zhì)構(gòu)造以及蒸發(fā)皿（池）周圍的風速、溫度等自然環(huán)境均與天然水體不同。因此，天然水體的蒸發(fā)量需要用蒸發(fā)皿（池）的觀測值乘以一個折減系數(shù)求得[3]。

大量實驗結(jié)果表明，小型蒸發(fā)皿（池）觀測到的蒸發(fā)值與天然水體蒸發(fā)量也有一定差異，當蒸發(fā)皿（池）面積超過20 m2時，蒸發(fā)皿（池）觀測到的蒸發(fā)值基本與天然水體蒸發(fā)量相同。因此，利用小型蒸發(fā)皿（池）觀測的蒸發(fā)量推算天然水體蒸發(fā)量公式為：

式中：E天然表示天然水體蒸發(fā)量（mm）；K為折減系數(shù)；E儀器表示蒸發(fā)皿（池）觀測到的蒸發(fā)值（mm）。

利用面積超過20 m2蒸發(fā)皿（池）觀測的蒸發(fā)量推算天然水體蒸發(fā)量公式為：

式中：E天然表示天然水體蒸發(fā)量（mm）；E儀器表示蒸發(fā)皿（池）觀測到的蒸發(fā)值（mm）。

3 衡水湖水面蒸發(fā)量

利用衡水水文實驗站20 m2蒸發(fā)池觀測到的蒸發(fā)值，同步計算衡水湖水面蒸發(fā)量，公式如下：

式中：E衡水湖表示衡水湖水面蒸發(fā)量（萬m3）；K為折算系數(shù)；A水面面積表示衡水湖的水面面積（km2）；E水面蒸發(fā)表示衡水水文實驗站測得的蒸發(fā)量（mm）[4]。

利用衡水湖2012—2021 年逐月平均水位推得其對應(yīng)的月平均面積，整理衡水水文實驗站20 m2蒸發(fā)池觀測到的蒸發(fā)值，推算衡水湖水面蒸發(fā)量，計算結(jié)果詳見表1。

表1 衡水湖水面逐月蒸發(fā)量萬m3

4 衡水湖水面蒸發(fā)量變化特征

4.1 衡水湖水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化特征

衡水湖水源主要包括西南部匯水、引蓄衛(wèi)運河和黃河之水，年內(nèi)大部分時間常態(tài)化引水。衡水湖水量除蒸發(fā)、滲漏等自然消耗外，還為衡水市工農(nóng)業(yè)用水提供保障。衡水湖是目前華北平原最大的淡水湖之一，該湖屬于平原淡水湖泊，水量的變化會引起水位的變化，而湖面面積與水位的變化趨勢基本一致。2012—2021 年衡水湖月平均湖面面積，如圖1所示。

圖1 2012—2021年衡水湖月平均湖面面積

衡水湖水面蒸發(fā)量變化較大，主要受溫度、氣流速度以及太陽輻射等因素影響。通過整理、計算2012—2021 年相關(guān)數(shù)據(jù)，得出衡水湖水面蒸發(fā)量平均值為3 187 萬m3。其中，1 月蒸發(fā)量為69.6 萬m3，約占全年蒸發(fā)總量的2.18%，為全年最小；6 月蒸發(fā)量為496.8萬m3，約占全年蒸發(fā)總量的15.59%，為全年最大。2012—2021 年衡水湖逐月平均蒸發(fā)量，如圖2所示。

圖2 2012—2021年衡水湖逐月平均蒸發(fā)量

衡水湖水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化情況：春季（3—5月）蒸發(fā)量為964.1 萬m3，約占全年總量的30.25%；夏季（6—8月）蒸發(fā)量為1 327.9萬m3，約占全年總量的41.67%；秋季（9—11 月）蒸發(fā)量為652.0 萬m3，約占全年總量的20.46%；冬季（12—次年2 月）蒸發(fā)量為242.8萬m3，約占全年總量的7.62%。

4.2 衡水湖水面蒸發(fā)量年際變化特征

衡水湖水面蒸發(fā)量年際變化不但受氣溫、風速等氣候因素影響，還受蓄水量、工農(nóng)業(yè)用水、水面面積、湖內(nèi)動植物生長情況等因素影響。收集整理2012—2021 年衡水水文實驗站20 m2蒸發(fā)池的觀測數(shù)據(jù)，推算出2012—2021 年衡水湖逐年水面蒸發(fā)量，計算結(jié)果詳見表2。

表2 2012—2021年衡水湖逐年水面蒸發(fā)量萬m3

4.2.1 極值差分析

極值差是指觀測變量的最大值與最小值之差，也可以稱為最大值與最小值的區(qū)間跨度，計算公式如下：

式中：R為極值差（萬m3）；max(Xi)為最大蒸發(fā)量（萬m3）；min(Xi)為最小蒸發(fā)量（萬m3）。

極值差數(shù)值的變化，在一定程度上可以反映該地區(qū)自然特征的變化。衡水湖2019 年水面蒸發(fā)量最大為3 487.5 萬m3，2016 年水面蒸發(fā)量最小為2 915.4 萬m3，極值差為572.1 萬m3。通過極值差可以發(fā)現(xiàn)，2012—2021 年衡水湖最大水面蒸發(fā)量與最小水面蒸發(fā)量相差572.1 萬m3，水面蒸發(fā)量的變化對該地區(qū)環(huán)境和氣候的影響很大，極值差更能體現(xiàn)該地區(qū)蒸發(fā)量年際變化的情況[5]。

4.2.2 極值比分析

極值比是指觀測變量的最大值與最小值之比，計算公式如下：

式中：Ka為極值比；max(Xi)為最大蒸發(fā)量（萬m3）；min(Xi)為最小蒸發(fā)量（萬m3）。

極值比越小，蒸發(fā)量年際變化越均勻；極值比越大，蒸發(fā)量年際變化越大。衡水湖2019 年水面蒸發(fā)量最大為3 487.5 萬m3，2016 年水面蒸發(fā)量最小為2 915.4 萬m3，極值比為1.20。極值比在相對角度反映衡水湖蒸發(fā)量年際變化情況。

4.2.3 變差系數(shù)分析

變差系數(shù)又稱為離差系數(shù)，是指均方差與均值之比，用于衡量系列數(shù)據(jù)相對離散的系數(shù)。變差系數(shù)越大，系列數(shù)值中各項較均值離散越大；變差系數(shù)越小，系列數(shù)值中各項較均值離散越小[6]。其計算公式如下：

式中：Cv為年蒸發(fā)量變差系數(shù)；xi為蒸發(fā)量系列數(shù)值中第i項值（萬m3）；-x為蒸發(fā)量系列數(shù)值所有項平均值（萬m3）；n為蒸發(fā)量系列數(shù)值總數(shù)量。

變差系數(shù)越大，表示衡水湖年蒸發(fā)量年際變化越大，反之就越小。采用2012—2021 年衡水湖蒸發(fā)量數(shù)據(jù)計算，得變差系數(shù)為0.06。

除降水量、氣溫、風向風速、氣壓等氣候因素影響衡水湖水面蒸發(fā)量年際變化外，引水水質(zhì)、年度用水量、年度蓄水量等因素也會對衡水湖內(nèi)動植物、水面面積形成影響，進而造成蒸發(fā)量的年際變化。

5 結(jié)語

水面蒸發(fā)量觀測儀器受多種因素限制，天然水體蒸發(fā)量通常直接采用E601型蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)，但E601 型蒸發(fā)皿觀測數(shù)據(jù)又與實際蒸發(fā)值存在一定誤差。大水體蒸發(fā)池觀測數(shù)據(jù)可以很好地體現(xiàn)天然水體蒸發(fā)量變化，通過衡水水文實驗站20 m2蒸發(fā)池觀測數(shù)據(jù)，同步計算出衡水湖水面蒸發(fā)量。

衡水湖水面蒸發(fā)量年內(nèi)變化受季節(jié)影響較為明顯，春季（3—5 月）蒸發(fā)量約占全年總量的30.25%，夏季（6—8月）蒸發(fā)量約占全年總量的41.67%，秋季（9—11月）蒸發(fā)量約占全年總量的20.46%，冬季（12—次年2 月）蒸發(fā)量約占全年總量的7.62%；衡水湖水面蒸發(fā)量多年平均值為3 187 萬m3，極值差572.1萬m3，極值比1.20，變差系數(shù)0.06。多年來，衡水湖水面蒸發(fā)量約為引水量的50%，是衡水湖水量損耗中的重要組成部分，與衡水湖水平衡計算分析關(guān)系密切。在衡水湖水量的計算分析中，加入衡水湖蒸發(fā)量可以大大減小水平衡分析的誤差，為引水工作、濕地生態(tài)保護、工農(nóng)業(yè)用水等提供科學依據(jù)。衡水湖的蒸發(fā)量計算對研究、保護以及利用衡水湖濕地生態(tài)環(huán)境有著極其重要的理論及實踐意義。