長豐河成縣水文站兩種蒸發器蒸發量和折算系數變化分析

周文慶

(甘肅省隴南水文水資源勘測局，甘肅 隴南 742500)

蒸發是海洋和陸地水分進入大氣的唯一途徑，是地球水循環的主要環節，也是水量平衡研究及水利工程規劃設計中不可忽視的重要影響因素。自然界中蒸發現象頗為復雜，不僅受氣象條件的影響，而且還受地理環境的影響。蒸發分為水面蒸發和土壤表面蒸發。水面蒸發屬于飽和蒸發面，對于一個水平的自由水面，進入水體的熱能增加了水分子的動能，使一些水分子所獲得動能大于水分子之間的內聚力時，就能突破水面而躍入空中，另一方面，也會有一些水分子從空中返回水面；從水面躍出的水分子與返回水面的水分子數量之差，就是蒸發量，當汽化速度與凝結速度相等時蒸發停止，水面上的水汽含量達到飽和。之所以開展水面蒸發觀測工作，就是為了探索自然水體的蒸發在不同時空上的分布變化規律。

1 地理氣候概況

甘肅省成縣位于西秦嶺余脈，徽成盆地，處在東南部的隴南山區。東北與徽縣接壤，西與西和縣相鄰，南以西漢水為界與康縣相望，東南與陜西省略陽縣毗鄰。

成縣境內多高山峽谷，地勢西北高，東南低，海拔750～2 377 m之間。地貌特征南北為山地，中部為丘陵。青泥河及其他支流切割形成的谷地貫穿其中，形成特殊的地形地貌。青泥河是嘉陵江一級支流，又名長豐河，成縣縣城以上亦稱東河，位于嘉陵江西岸，是嘉陵江中游在隴南境內僅次于白龍江和西漢水的第三大支流。長豐河設有成縣水文站，位于東經105°54′，北緯33°31′，集水面積1 502 km2。始建于1958年10月，屬省級重要站、中央報汛站、區域代表站。

成縣屬南北過渡性暖溫帶半濕潤氣候區，四季分明，冷暖適度，年平均氣溫11.9℃，最熱7月平均氣溫23.3℃，最冷1月平均氣溫-0.8℃，極端最高氣溫37.3℃，極端最低氣溫-15.0℃。平均無霜期210 d，年日照時數1 795 h，日照百分率為41%，最多可達1 976 h。年均降雨量680 mm，年均蒸發量610 mm，相對濕度75%，盛行東南風。

成縣四季氣溫特點：春季氣溫回升快，時有寒潮降溫影響，并伴西北風，偶有倒春寒。終霜期結束遲早不定，雨量常偏少，有春旱，偶有春澇，季末為雷陣雨發生之始。夏季無酷熱，伏期易旱，多雷陣雨和局地暴雨，時伴冰雹和大風，夏收期間偶有“芽麥雨”。秋季多連陰雨，降溫比春季回升速度快，雨量趨于減少，偶有秋旱，秋末早霜來臨。冬季少嚴寒，晴朗干燥，雨雪稀少。

2 20cm口徑蒸發器和E601型蒸發器的蒸發量和影響因素分析

成縣水文站主要是用20 cm口徑蒸發器和E601型蒸發器進行同步觀測。20 cm口徑蒸發器安裝觀測方便。但因暴露在空氣中，又是金屬質地且體積小，受太陽輻射的影響很大，所以代表性和穩定性很差。E601型蒸發器埋入地下，儀器內水體和土壤之間有熱交換，并設有水圈有助于減輕濺水對蒸發的影響，同時起到了增大面積的作用，蒸發更加接近自然水體的情況，所以代表性和穩定性較好。

2.1 水面蒸發的影響因素

水面蒸發受到許多氣象和自然地理因素的影響，氣象因素有：溫度、濕度、風、氣壓、降水；自然地理因素有：水質、水深、水面的情況和面積。

蒸發量僅與飽和差有關，飽和差是指在一定溫度下，飽和水汽壓與實際水汽壓之差，指示水的蒸發能力。蒸發速度的大小，是由水體熱能的大小和近水層空氣亂流擴散條件來決定的。也就是溫度梯度、濕度梯度和風速大小決定的，這些因素直接或間接改變水面飽和差的大小，影響蒸發速度。

(1)溫度 太陽輻射是影響蒸發的主要因素，它會影響氣溫和水溫的大小。氣溫反映了獲得太陽輻射熱能的大小，水溫反映了水分子運動能量的大小。飽和差與水溫和氣溫有關，但蒸發與水溫的關系更為密切。

(2)濕度 空氣中濕度的大小，是決定蒸發強度的重要因素之一。空氣的濕度與氣溫有關，通過改變飽和差間接影響蒸發。氣溫降低時相對濕度增加，蒸發減小，所以天氣冷時，蒸發小。

(3)風速 促進水汽交換和轉移，使水面飽和差變薄并保持強大輸送率。風對蒸發的影響有一定限度，超過限度時水分子隨時被風完全吹走，風速再加大時也不會再影響蒸發強度，相反地，冷空氣會減少蒸發而導致凝結。

2.2 蒸發量年內和年際變化分析

因為E601型蒸發器1980年之前的觀測數據不完整也不連續，所以只選取1980年以后的觀測數據。依據成縣水文站1980-2019年兩種蒸發器觀測的蒸發量資料統計計算兩種蒸發器的逐月多年平均蒸發量和差值，以及歷年年蒸發量。并繪制柱狀圖和過程線圖進行對比分析，詳見表1、圖1、圖2。

表1 成縣站兩種蒸發器逐月多年平均蒸發量統計表

圖1 成縣站逐月多年平均蒸發量對比圖

從表1和圖1可以看出，兩種蒸發器的蒸發量年內變化非常大，在升溫期1-7月是逐月增大的；7月達到最大值，而且兩種蒸發器的蒸發量差值越來越大，7月份差值甚至達到48.1。在降溫期8-11月蒸發量減小速度較快，9月蒸發和差值都出現跳躍式減??；8月和9月20 cm口徑蒸發器蒸發量相差56.8 mm，E601型蒸發器蒸發量相差37.2 mm，差值比較相差19.6。9月以后蒸發和差值都趨緩。以上情況符合本區域秋季降溫速度比春季升溫速度快的氣候特點；12月(或1月)蒸發達到最小值。絕大數情況下，20 cm口徑蒸發器比E601型蒸發器的蒸發量大，原因是20 cm口徑蒸發器是銅制器材，體積小，并完全暴露在空氣中，對氣溫敏感吸熱快，對蒸發影響顯著。但是，在陰雨天氣，會出現E601蒸發器的蒸發量接近或大于20 cm口徑蒸發器的蒸發量情況。原因主要是氣溫下降，相對濕度增大，水面飽和差減小，20 cm口徑蒸發器水溫也明顯下降，而E601型蒸發器埋入土中，和土壤有熱交換，土壤溫度比氣溫高，而且土壤溫度相對比較穩定，水面受冷熱影響，會產生對流作用，使整個水體水溫變化緩慢，落后于氣溫時間比較長，因而E601型蒸發器比20 cm口徑蒸發器的水溫高，水面飽和差也大，蒸發量也大。還有一種情況就是濕度非常大時，20 cm口徑蒸發器的水面凝結量大于蒸發量時，蒸發量甚至會出現負值的情況，不過這種現象出現次數很少，在月蒸發量中占比很小，可以忽略，不會影響兩種蒸發器月蒸發量和折算系數的比較分析。

從圖2可以看出，20 cm口徑蒸發器和E601型蒸發器的蒸發量年際變化不大，過程相互對應。從趨勢線可以看出，20 cm口徑蒸發器歷年蒸發量稍微有點增大的趨勢。E601型蒸發器歷年蒸發量趨勢接近水平，E601蒸發器蒸發過程和蒸發量更接近自然水體的情況，所以也反映出成縣的歷年蒸發基本穩定，變化很小。

圖2 成縣站兩種蒸發器歷年年蒸發量變化過程對比圖

3 20cm口徑蒸發器和E601型蒸發器折算系數的變化規律

折算系數(K)是衡量蒸發器性能(代表性、穩定性)好壞的重要標志，是各種不同類型蒸發器觀測的蒸發量相互折算以及換算成自然水體蒸發量的重要依據。折算系數的大小決定因素有蒸發器的尺寸、型式、安裝方式以及氣象因子、水文因子的變化過程。K值越穩定或越接近于1，變幅小、變差系數(Cvk)小，其性能越好，反之則越差。

具體情況可以依據成縣水文站1980-2019年40 a的兩種蒸發器觀測的蒸發量資料統計計算多年平均月折算系數和多年年折算系數，并繪制過程線進行分析。詳見表2、圖3、圖4。

3.1 折算系數的年內變化

從表2和圖3可以看出，全年折算系數變化較大，范圍在0.57～0.76之間。冬季1-2月和12月的折算系數較小，其中1月最小(0.57)，秋季8-11月的折算系數較大，其中10月最大(0.76)；3月、7月折算系數和年均折算系數一致(0.66)。春夏季3-7月變差系數(Cvk)最小且基本一致(0.08或0.09)，變幅也小(0.02～0.06)，說明春夏季兩種蒸發器折算系數的相關性最穩定，在分析計算春夏季3-7月的蒸發量時，可以采用均值0.65比較方便。冬季和秋季折算系數相差較大的原因分析如下：

圖3 成縣站多年平均月折算系數過程線

表2 成縣站兩種蒸發器多年平均月折算系數計算成果表

(1)在冬季，E601型蒸發器埋入土中，蒸發量和地溫的關系非常密切，冬季地面冰凍，水面結冰，溫度常處于穩定的低溫狀態，日平均冰面溫度低于日平均氣溫，尤其低于白天的氣溫(白天氣溫決定了蒸發量的大部分)，因而蒸發量比較穩定或者減小。20 cm口徑蒸發器暴露在離地面0.7 m的空氣中，冬季降水稀少，晴天多，日照較強，氣溫對蒸發的影響相對比較敏感，所以蒸發量增大，最后導致折算系數變小。

(2)在秋季，太陽輻射開始減弱，多連陰雨天氣，相對濕度很大，氣溫甚至可能低于地溫，所以會出現20 cm口徑蒸發器蒸發量接近于或小于E601型蒸發量，所以折算系數大。

3.2 折算系數的年際變化

從表2、圖4可以看出，兩種蒸發器的年折算系數較小為0.66，用變差系數(Cvk)分析發現，年Cvk很小，只有0.06，比逐月Cvk(0.08～0.32)都小，說明年折算系數離散程度很小，變化比較穩定，折算系數年際變化遠比年內變化小。所以只需分析計算年蒸發量時，可以采用年折算系數，即方便，又不會影響精度。

圖4 成縣站兩種蒸發器多年年折算系數過程線

兩種蒸發器折算系數在甘肅省比較穩定，并且在地區分布上，也沒有太明顯的地域性差別，在將20 cm口徑蒸發器蒸發資料換算成E601型蒸發量時，全省一般統一采用0.65的年平均折算系數，如果要把E601型蒸發器蒸發資料換算成自然水體的蒸發量時，依據全國有關蒸發的實驗資料，應該再乘以0.90～0.93的系數。

4 結語

(1)兩種蒸發器的蒸發量年內變化很大，最大值出現在氣溫最高的7月份，最小值出現在最冷的1月或者12月份。年際變化不大，歷年蒸發基本穩定。

(2)折算系數年內變化較大，最小值0.57出現在1月份，最大值0.76出現在10月份。折算系數年際變化不大，變差系數很小，年平均折算系數0.66，

(3)影響蒸發的因素很多，過程也很復雜，主要因素是溫度、濕度、風速等動態因素，太陽輻射是改變這些因素的最主要能源，這些因素獲得熱能不斷發生變化，從而改變水面飽和差的大小，最終影響蒸發量和折算系數的大小。因成縣水文站是區域代表站，所以通過分析成縣水文站蒸發量和折算系數的變化規律，可以為該區域的水文水利計算提供參考依據。