王玉濤，林濤濤

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

三峽水利樞紐工程地處四川盆地與長(zhǎng)江中下游平原結(jié)合部，控制長(zhǎng)江上游流域面積約100萬(wàn)km2，占長(zhǎng)江流域總面積的55.6%。三峽水庫(kù)蓄水后形成庫(kù)區(qū)長(zhǎng)超663 km，屬河道型水庫(kù)，平均寬度1.63 km，水面面積超1 000 km2，總庫(kù)容393億m3。三峽水庫(kù)除了發(fā)揮防洪、發(fā)電和航運(yùn)等功能外，也是重要水源地。水面蒸發(fā)量是自然水體損失的主要部分[1-2]，是自然界水循環(huán)中最基本的因素之一，是水量平衡的重要組成部分，也是水庫(kù)、湖泊等自然水體水量損失的主要部分。結(jié)合中國(guó)水面蒸發(fā)[1]研究的情況，為準(zhǔn)確估算水庫(kù)水面蒸發(fā)量[2-4]，前人做了大量研究：閔騫等開(kāi)展了鄱陽(yáng)湖水面蒸發(fā)[5-7]計(jì)算與分析，為水庫(kù)水面蒸發(fā)的計(jì)算提供了方向；倪振行在漂浮水面蒸發(fā)[8-9]的觀(guān)測(cè)、代表性以及水庫(kù)水面蒸發(fā)的推算方面提出建議。本文分析三峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)損失，對(duì)于掌握水庫(kù)水沙變化規(guī)律、科學(xué)開(kāi)展三峽水利樞紐運(yùn)行調(diào)度意義重大。

近年來(lái)，在三峽水庫(kù)水面蒸發(fā)量計(jì)算中，一般采用陸上E601B型蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行折算，數(shù)據(jù)代表性較差，特別是對(duì)水域面積變化帶來(lái)的蒸發(fā)量變化考慮較少。2013年8月1日，在距三峽大壩71 km的三峽庫(kù)區(qū)巴東河段設(shè)立了巴東漂浮水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“巴東站”)，填補(bǔ)了三峽庫(kù)區(qū)漂浮水面蒸發(fā)觀(guān)測(cè)的空白，為分析庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)損失提供了依據(jù)。巴東站設(shè)有陸上蒸發(fā)觀(guān)測(cè)場(chǎng)和漂浮觀(guān)測(cè)場(chǎng)，陸上觀(guān)測(cè)場(chǎng)位于長(zhǎng)江干流右岸，場(chǎng)地高程183 m(吳淞，下同)；漂浮蒸發(fā)觀(guān)測(cè)場(chǎng)場(chǎng)地高程145～175 m，位于長(zhǎng)江干流航道右側(cè)。觀(guān)測(cè)項(xiàng)目包括降水量、蒸發(fā)量、氣溫、濕度、氣壓、水汽壓、風(fēng)速風(fēng)向、水溫(蒸發(fā)池內(nèi))、日照、江水水溫等。本文根據(jù)巴東站2013年8月至2021年12月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)三峽水庫(kù)水面蒸發(fā)量及其影響因子進(jìn)行分析。

1 漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數(shù)

水面蒸發(fā)過(guò)程是水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過(guò)程，是水分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。在蒸發(fā)過(guò)程中，活躍的水分子自水面逸出，同時(shí)，進(jìn)入空中的水分子又有一部分重新回到水中。實(shí)際水面蒸發(fā)量應(yīng)該是水面逸出來(lái)的水分子與重新回到水中水分子的差值。從水中逸出水分子的活動(dòng)程度隨著氣溫、水面溫度、水汽飽和差和風(fēng)速等氣象因素而變化。水溫愈高，水分子內(nèi)能愈大，蒸發(fā)愈快；水面上水汽飽和差大、風(fēng)速大，蒸發(fā)也快。因此，對(duì)水體而言，蒸發(fā)是一個(gè)失熱冷卻過(guò)程。

灰色關(guān)聯(lián)分析方法是將因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，即“灰色關(guān)聯(lián)度”，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的方法之一。該方法基本思想是根據(jù)比較數(shù)集的曲線(xiàn)族與參考數(shù)列曲線(xiàn)之間的幾何相似度來(lái)確定比較數(shù)集與參考數(shù)列間的關(guān)聯(lián)度。比較數(shù)列構(gòu)成的曲線(xiàn)與參考數(shù)列曲線(xiàn)的幾何形狀越相似，其關(guān)聯(lián)度越大。本文將巴東站收集的氣象因子，采用灰色相關(guān)分析法進(jìn)行分析，得出巴東陸上、漂浮蒸發(fā)量影響因子的關(guān)聯(lián)度排序，見(jiàn)圖1，2。

圖1 陸上氣象因子與蒸發(fā)量關(guān)聯(lián)度

圖2 漂浮氣象因子與蒸發(fā)量關(guān)聯(lián)度

由圖1，2可知，陸上氣象因子關(guān)聯(lián)度大于0.8的有水汽壓差、日照、氣溫、水溫，這是影響陸上蒸發(fā)量的主要因素；漂浮氣象因子大于0.8的有日照、氣溫、水溫、江水水溫，即影響漂浮蒸發(fā)量的主要因素。資料分析顯示，漂浮蒸發(fā)池內(nèi)水溫與水溫因子(江水水溫與氣溫加權(quán)計(jì)算，江水水溫占80%，氣溫占20%)相關(guān)性0.995 2，陸上蒸發(fā)池內(nèi)水溫與陸上氣溫相關(guān)性0.991。陸上、漂浮蒸發(fā)影響因子中的氣溫和日照等相差較小，說(shuō)明巴東陸上與漂浮水面蒸發(fā)差異的主要影響因子為江水水溫，而庫(kù)區(qū)沿程江水水溫變化趨勢(shì)與巴東江水水溫變化趨勢(shì)與特點(diǎn)一致。結(jié)合巴東站地理位置代表性和庫(kù)區(qū)氣溫、蒸發(fā)等變化規(guī)律，采用巴東漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數(shù)[10-11]表示庫(kù)區(qū)整體蒸發(fā)的平均情況具有較高的代表性，可用于三峽庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)的估算。分別計(jì)算巴東站漂浮與陸上多年月平均蒸發(fā)量和多年年平均蒸發(fā)量的比值，得出漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數(shù)(Ew/El)，見(jiàn)表1。

表1 漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數(shù)

2 庫(kù)區(qū)陸上水面蒸發(fā)量

為了準(zhǔn)確反映三峽庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)量變化規(guī)律[12]、提高庫(kù)區(qū)蒸發(fā)的代表性，經(jīng)分析后選擇三峽庫(kù)區(qū)沙坪壩、長(zhǎng)壽、涪陵、豐都、忠縣、奉節(jié)、巫山、巴東站8個(gè)氣象站點(diǎn)作為代表站，資料年限為1990～2021年，各站空間分布見(jiàn)圖3。

圖3 三峽庫(kù)區(qū)氣象站點(diǎn)分布

采用泰森多邊形法劃分各氣象站代表三峽庫(kù)區(qū)區(qū)域權(quán)重，見(jiàn)表2。

已知各氣象站控制權(quán)重r，則水面蒸發(fā)E為

(1)

利用庫(kù)區(qū)各站多年陸上觀(guān)測(cè)蒸發(fā)量數(shù)據(jù)(統(tǒng)一換算到中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)儀器E601B對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)值[12])，計(jì)算庫(kù)區(qū)各站多年月平均蒸發(fā)量，乘以各站權(quán)重，即可得到庫(kù)區(qū)陸上水面逐月平均蒸發(fā)量。再根據(jù)漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數(shù)即可得庫(kù)區(qū)漂浮水面月平均蒸發(fā)量，見(jiàn)表3。

表2 各氣象站點(diǎn)所占權(quán)重

表3 三峽庫(kù)區(qū)漂浮、陸上逐月平均蒸發(fā)量

3 庫(kù)區(qū)水位面積

3.1 三峽建庫(kù)前后水位

根據(jù)三峽水庫(kù)水位變化規(guī)律和壩前水位代表站數(shù)據(jù)系列，采用壩前茅坪(二)站蓄水前后水位資料，分3個(gè)時(shí)段計(jì)算三峽水庫(kù)不同蓄水階段月平均水位，T1時(shí)段為建庫(kù)前1987～2002年，T2時(shí)段為試驗(yàn)性蓄水期2003～2008年，T3時(shí)段為2009～2021年正常運(yùn)行期，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 三峽庫(kù)區(qū)壩前月平均水位統(tǒng)計(jì)

3.2 庫(kù)區(qū)水位面積

(1) 蓄水前。采用長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局1998年實(shí)測(cè)的三峽大壩壩址至江津固定斷面資料，利用斷面法進(jìn)行水面面積計(jì)算，建立三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前的壩址水位與水面面積關(guān)系：

F=0.4133Z3-91.001Z2+

6685.8Z-163398

(2)

式中：F為水面面積，km2；Z為蓄水前壩址水位，m。

(2) 蓄水后。根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)地形測(cè)量數(shù)據(jù)，利用長(zhǎng)江水沙管理系統(tǒng)GeoHydrology2.0對(duì)河道地形矢量化成果進(jìn)行水面面積量算，運(yùn)用確定最優(yōu)庫(kù)容計(jì)算方法，獲得2003年、2006年、2011年三峽水庫(kù)(含三峽-葛洲壩兩壩間)不同蓄水階段181 m下水面面積和庫(kù)容，并分水位級(jí)考慮水庫(kù)干支流未測(cè)區(qū)域水面面積及茅坪溪改道前的水面面積，建立三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后的壩前水位與水面面積關(guān)系：

F=0.1114Z′2-19.81Z′+1074.2

(3)

式中：Z′為蓄水后壩前茅坪(二)站水位，m。

4 庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)量

庫(kù)區(qū)水域水面蒸發(fā)損失量[13]計(jì)算式：

W=E×F

(4)

式中：W為月(年)水面蒸發(fā)水量，m3；E為庫(kù)區(qū)月(年)水面蒸發(fā)量，m。

采用三峽水庫(kù)建庫(kù)前后月平均水位，根據(jù)式(2)和(3)計(jì)算不同水位下庫(kù)區(qū)水域平均水面面積，再根據(jù)式(4)計(jì)算相應(yīng)時(shí)段庫(kù)區(qū)水域蒸發(fā)損失量，見(jiàn)表5。

表5 三峽庫(kù)區(qū)水域面積各時(shí)段逐月水面平均蒸發(fā)損失量

由表5可知，三峽水庫(kù)在蓄水前(1987～2002年)，庫(kù)區(qū)水域年平均水面蒸發(fā)損失量約3.202億m3；三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用初期(2003～2008年)，庫(kù)區(qū)水域年平均水面蒸發(fā)損失量增加到約4.575億m3；水庫(kù)正常運(yùn)行后(2009～2021年)，庫(kù)區(qū)水域年平均水面蒸發(fā)損失量最大，約6.814億m3，是建庫(kù)蓄水前的2.13倍，約為采用陸上蒸發(fā)折算系數(shù)估算三峽庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)損失量[13]的兩倍。其中，自2003年以來(lái)，三峽建庫(kù)后庫(kù)區(qū)水域年平均蒸發(fā)損失量約6.107億m3，較2003年以前未建庫(kù)時(shí)增加了約2.895億m3。

5 庫(kù)區(qū)蒸發(fā)量

三峽水庫(kù)正常運(yùn)行后，受水庫(kù)調(diào)度影響，庫(kù)區(qū)水域面積隨之變動(dòng)，蒸發(fā)量也發(fā)生變化，現(xiàn)分別計(jì)算T1時(shí)段與T3時(shí)段庫(kù)區(qū)相應(yīng)水域面積的蒸發(fā)量，分析蓄水前后因調(diào)度造成的蒸發(fā)損失。三峽庫(kù)區(qū)屬于濕潤(rùn)地區(qū)，陸地蒸發(fā)量采用相應(yīng)E601B陸上水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)。T1時(shí)段庫(kù)區(qū)蒸發(fā)量：ET1=E水面+E陸地，其中E水面為建庫(kù)前多年平均水域漂浮水面蒸發(fā)量，E陸地為T(mén)3時(shí)段與T1時(shí)段相應(yīng)庫(kù)區(qū)水域面積差的庫(kù)區(qū)陸地蒸發(fā)量。T3時(shí)段庫(kù)區(qū)蒸發(fā)量為庫(kù)區(qū)水域面積漂浮水面蒸發(fā)量。

由圖4可計(jì)算出，T1時(shí)段庫(kù)區(qū)年平均蒸發(fā)損失量 6.126億m3，T3時(shí)段庫(kù)區(qū)年平均蒸發(fā)損失量6.814億m3，凈增加11.2%，兩時(shí)段年平均蒸發(fā)損失量相差較小，但年內(nèi)分布差異較大，T3時(shí)段10～12月總量明顯大于T1相應(yīng)時(shí)段，時(shí)段蒸發(fā)量為2.305億m3，占年蒸發(fā)量的33.8%，而7～9月蒸發(fā)量?jī)H為1.772億m3，占年蒸發(fā)量的26.0%。T1時(shí)段月最大蒸發(fā)損失量在9月，T3時(shí)段月最大蒸發(fā)損失量出現(xiàn)在11月；產(chǎn)生上述變化的主要原因是水庫(kù)調(diào)度造成冬季水域面積較大以及冬季漂浮水面蒸發(fā)量大于陸上水面蒸發(fā)量。

圖4 T1時(shí)段與T3時(shí)段逐月平均蒸發(fā)損失量

6 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合巴東站水面蒸發(fā)的主要影響因子及代表性測(cè)站，采用巴東站漂浮與陸上蒸發(fā)換算系數(shù)來(lái)計(jì)算庫(kù)區(qū)蒸發(fā)整體情況，結(jié)果具有較高的代表性，能夠反映三峽庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)的變化規(guī)律，較采用陸上蒸發(fā)折算系數(shù)估算三峽庫(kù)區(qū)水面蒸發(fā)損失量更能體現(xiàn)水庫(kù)調(diào)度的影響。三峽水庫(kù)建庫(kù)前后庫(kù)區(qū)多年平均水面蒸發(fā)損失量對(duì)比結(jié)果表明，建庫(kù)后水面蒸發(fā)量明顯增大。水庫(kù)正常運(yùn)行后(2009～2021年)水面蒸發(fā)損失量為建庫(kù)前的2.13倍。由三峽庫(kù)區(qū)多年平均蒸發(fā)損失量對(duì)比可知，水庫(kù)正常運(yùn)行后(2009～2021年)蒸發(fā)量略大于建庫(kù)前(1987～2002年)，但受水庫(kù)調(diào)度及漂浮水面蒸發(fā)年內(nèi)分布特征的影響，年內(nèi)分布變化較大，庫(kù)區(qū)年蒸發(fā)損失量由建庫(kù)前主要集中在7～9月變?yōu)樗畮?kù)正常運(yùn)行后主要集中在10～12月，月最大蒸發(fā)損失量由出現(xiàn)在建庫(kù)前的9月變?yōu)槌霈F(xiàn)在水庫(kù)正常運(yùn)行后的11月。