瑪納斯河流域水面蒸發綜合分析

丁文學

(烏魯木齊水文勘測局，烏魯木齊 830000)

水面蒸發量是反映當地蒸發能力的指標。水面蒸發主要受氣溫、濕度、風力、輻射等氣象因素的綜合影響，不同緯度、不同地形條件，其水面蒸發量也不同[1-2]。

瑪納斯河流域地形變化幅度大，加之遠離海洋，且高山阻隔，故本流域屬于典型的大陸性氣候。其特點是干燥少雨，四季分明，冬夏漫長，春秋季短暫，有春季升溫快、秋季降溫迅速和溫差大、光照充足、風沙較大等特性。流域水汽主要來源于濕潤的西北環流及北冰洋氣流，其水汽受天山山脈的阻擋及多條平行山脈的作用，導致流域氣象特征在上、中、下有明顯差異。該氣候特點是氣溫隨海拔的增加而降低，降水隨海拔的增加而增加，蒸發隨著海拔的增加而降低。

1 基本資料情況

瑪納斯河流域內水面蒸發觀測站點10處，其中氣象站點5處，水文站點5處。見表1。

表1 瑪納斯河流域蒸發選用站基本情況表

2 資料插補延長

根據《黃河流域(片)水資源綜合規劃技術細則》有關要求，水面蒸發采用同步資料系列進行分析。因此，對八家戶水文站1980-1982年水面蒸發量選擇氣候條件較相似的肯斯瓦特水文站作為參證站，采用相關分析法插補展延。相關系數0.78，通過信度α=0.01的統計檢驗。

相關公式為：

E八=0.709 5E肯+377.66

八家戶水文站-肯斯瓦特水文站年水面蒸發相關圖見圖1。

圖1 八家戶水文站-肯斯瓦特水文站年水面蒸發相關圖(Φ20 cm)

對清水河子水文站1980-1982年水面蒸發量選擇氣候條件較相似的煤窯水文站作為參證站，采用相關分析法插補展延。相關系數0.79，通過信度α=0.01的統計檢驗。

相關公式為：

E清=0.925 9E煤+92.623

清水河子水文站-煤窯水文站年水面蒸發相關圖見圖2。

圖2 清水河子水文站-煤窯水文站年水面蒸發相關圖(Φ20 cm)

3 水面蒸發折算系數

流域內確定水面蒸發量的主要方法是通過Φ20蒸發器觀測，然后折算成水體水面蒸發量。由于蒸發器本身體積小，水深、儀器結構、安裝形式和材料不同，周圍環境的熱力條件和動力條件之間的關系與天然水體不同，一般蒸發器所測的蒸發值比天然大水體的蒸發量大。為了解決這個問題，需根據不同型號蒸發器同期對比觀測資料確定一個系數，這個系數就是折算系數。流域內蒸發觀測站大多使用Φ20蒸發器觀測，需按《黃河流域(片)水資源綜合規劃技術細則》(以下簡稱《技術細則》)要求統一換算成E601型蒸發器的蒸發量。截至目前，流域內水面蒸發觀測站中只有肯斯瓦特水文站有Φ20蒸發器與E601型蒸發皿對比觀測資料。選取肯斯瓦特站1986-2013年同期Φ20蒸發器與E601型蒸發皿蒸發量，計算出肯斯瓦特水文站水面蒸發折算系數統計表，見表2。由于冰期肯斯瓦特站E601型蒸發器每年12月份至次年3月份存在結冰現象，導致其中2個月的折算系數大于1。

表2 肯斯瓦特站水面蒸發折算系數統計表(一)

《新疆地表水資源》報告中，通過對全疆有全年對比觀測資料的28個站的非冰期折算系數分析，得出非冰期折算系數與全年折算系數僅相差0.0～0.2。由于冰期水面蒸發量很小，因此借用非冰期折算系數的平均值近似代表測站的冰期折算系數，進行各月水面蒸發量的計算是可行的，對年水面蒸發的計算精度不會產生顯著的影響。因此，借用肯斯瓦特站非冰期(4-10月份)平均折算系數0.54代替冰期(12-3月份)折算系數，見表3。

表3 肯斯瓦特站水面蒸發折算系數統計表(二)

4 水面蒸發量計算

以E601型蒸發器的蒸發量觀測值近似代表水面蒸發量，忽略E601型蒸發器觀測值與大水體水面蒸發量之間的差異。由于流域內僅有肯斯瓦特水文站有E601型蒸發器觀測資料，其他站點僅有Φ20cm蒸發器觀測資料，故借用肯斯瓦特水文站折算系數，統一將選用站Φ20cm蒸發器觀測值折算成E601型蒸發器的蒸發量作為該站水面蒸發量。各選用站月水面蒸發量計算公式如下：

瑪納斯河流域水面蒸發選用站蒸發量統計見表4。

表4 瑪納斯河流域水面蒸發選用站蒸發量統計表

5 水面蒸發量年內分配

受氣溫、濕度等氣象因素的綜合影響，水面蒸發量的年內分配不均。從表5中可見，連續最大4個月水面蒸發量占年水面蒸發量的65.4%～69.6%，且各月水面蒸發量較為接近，各站均出現在5-8月份。最大月水面蒸發量出現在7月份，占年內蒸發量的16.9%～18.5%；最小月水面蒸發量出現在2月份，占年內蒸發量的0.4%～1.0%。最大月蒸發量是最小月蒸發量的17～36倍。由于流域內氣溫年差較大，水面蒸發量的年內變幅也較高。圖3為山區、平原代表站1980-2013年多年平均逐月水面蒸發量柱狀圖。從圖3中可見，各站水面蒸發量年內變化過程基本相同，山區站連續最大4個月水面蒸發量要略小于平原站。

表5 瑪納斯河流域選用站多年平均水面蒸發量年內分配

圖3 山區、平原代表站1980-2013年多年平均逐月水面蒸發量柱狀圖

水面蒸發量的季節變化主要表現在夏季大、冬季小。在春、夏、秋、冬四季中，夏季(6-8月份)氣溫高，水面蒸發量大，占年蒸發量的43%～52%；冬季(12-2月份)氣溫低，水面蒸發量小，僅占年蒸發量的2%～8%；春季(3-5月份)和秋季(9-11月份)水面蒸發量居中，由于春季多風，故春季蒸發量略大于秋季。圖4為山區、平原代表站四季多年平均水面蒸發量占年水面蒸發量百分比餅狀圖。由圖4可知，在四季水面蒸發量的分配上，山區和平原是一致的。

圖4 山區、平原代表站四季多年平均水面蒸發量占年水面蒸發量百分比餅狀圖

6 水面蒸發年際變化

由于影響水面蒸發的氣象要素年際變化不大，因此也決定了水面蒸發量年際變化較小。選取10處實測水面蒸發資料(已折算成E601型蒸發器的蒸發量)系列較長、代表性較好的站點為代表，進行水面蒸發量年際變化分析，代表站水面蒸發量年際變化統計見表6。

表6 選用站水面蒸發量年際變化統計表

從表6中可以看出，水面蒸發量的年際變化不大，較為穩定，其變幅小于降水和徑流。最大年水面蒸發量與最小年水面蒸發量的極值比在1.28～2.60之間，變差系數Cv值在0.064～0.233之間。在選用站中，莫索灣氣象站水面蒸發年際變化最小，最大年與最小年水面蒸發極值比為1.26，變差系數Cv值僅為0.064。

流域內各地間水面蒸發量最大年出現時間同步性較好，最小年出現時間同步性較差，這也說明了流域內氣溫、濕度、風速、輻射等氣象因素及地形、地貌等下墊面條件的綜合影響是基本一致的。

7 干旱指數

干旱指數是反映某一地區氣候干、濕程度的指標之一。干旱指數是以年水面蒸發能力與年降水量的比值來表示。由于缺乏水面蒸發能力的實測資料，近似以E601型蒸發器水面蒸發量代替水面蒸發能力。干旱指數與氣候干、濕分帶關系極為密切，通常干旱指數小于1.0時，說明該區域降水量超過水面蒸發能力，氣候濕潤或十分濕潤；干旱指數在1.0～3.0之間時，說明該區域降水量接近水面蒸發能力，氣候半濕潤；干旱指數在3.0～7.0之間時，說明該區域水面蒸發能力大于降水量，氣候偏于干旱；干旱指數大于7.0時，氣候干旱，且干旱指數越大，氣候干旱程度越強烈。干旱指數與氣候干、濕分帶關系見表7。

表7 干濕程度分級表

本次采用兩種方法進行干旱指數的計算。對于有水面蒸發實測資料的選用站，則根椐各站多年平均年水面蒸發量(E601型蒸發器折算值)和多年平均年降水量計算各站的干旱指數；對于無水面蒸發量實測資料的區域，則根椐1980-2013年多年平均降水量等值線圖與多年平均水面蒸發量等值線圖重疊在一起，找出交叉點的多年平均降水量和多年平均水面蒸發量，各站干旱指數計算值見表8。

表8 瑪納斯河流域各站干旱指數計算表

通過計算表明，在海拔較高的山區，氣溫較低，蒸發能力較弱，但降水量卻很豐沛。干旱指數的地區分布與水面蒸發量的分布基本一致，存在明顯的垂直地帶性分布規律[3-5]。干旱指數隨著高程的增加、降水量的增大、水面蒸發量的減少而減小，山區小于平原。

瑪納斯河流域南部山區干旱指數小于3，屬半濕潤地區；河流出山口區域干旱指數在4.0～5.5之間，屬半干旱地區；北部平原地區干旱指數在8.0左右，屬干旱地區。

總體而言，氣溫、降水、風速是影響干旱指數的重要因素。瑪納斯河流域干旱指數在流域面上分布變化范圍較小，有氣象記錄的觀測站干旱指數在1.4～8.0之間。從整個流域面上來說，瑪納斯河流域屬于半濕潤、半干旱地區。