怀柔水库水面蒸发量及变化特征分析

北京市京密引水管理处，北京 101400

1 区域概况

怀柔水库位于北京怀柔城区西侧，上游有南、北两支支流，南支为怀九河、北支为怀沙河，下游为怀河，控制流域面积为525km2。流域多年平均降水量为603mm（1956—2019年），年最大降水量为1118.2mm（1969年），年最小降水量为343mm（1962年）。怀柔水库总库容为1.44亿m3，工程规模为大（二）型水库。其与京密引水渠相连，主要作用为调蓄供水、拦洪防汛，以及作为南水北调来水调入密云水库调蓄工程的中间调节库。怀柔水库库区水文站于20世纪70年代开始蒸发观测，采用20cm口径蒸发皿，每日记录观测数据。2004年6月起，加装了E601型蒸发器，可与20cm口径蒸发皿进行对比观测。

2 怀柔水库水面蒸发量的计算

2.1 蒸发器的选择

在20世纪80年代初期，国际气象组织仪器和观测方法委员会提出以20m2水面蒸发池作为水面蒸发量的国际标准。若水库或湖泊附近从未建有20m2蒸发池，则可利用E601型蒸发器的观测值近似计算水库、湖泊水面蒸发量[1]。但冬天受冰冻影响，E601型蒸发器的观测值误差较大，因而可利用20cm口径蒸发皿替代其进行观测[2]。

2.2 水库水面蒸发量的计算

（1）折算系数计算。不同蒸发器，由于周围热动力条件不同，因此蒸发量也不相同。当需要用20cm口径蒸发皿代替E601型蒸发器进行观测时，需求出二者的折算系数，可按下式计算：

式中：k为折算系数；E601为E601型蒸发器水面蒸发量，mm；E20为20cm口径蒸发皿水面蒸发量，mm。

利用怀柔水库水文站E601型蒸发器和20cm口径蒸发皿2005—2019年的同步观测资料进行分析，计算两种观测仪器各月的水面蒸发量折算系数。根据计算结果可知，怀柔水库E601型蒸发器与20cm口径蒸发皿水面蒸发量折算系数在0.50～0.72，多年平均值为0.63。

（2）水库水面蒸发量计算。根据怀柔水库蒸发资料可知，每年的1—3月、11—12月为冰冻期，此时，采用20cm口径蒸发皿的观测数据和当月折算系数来推求E601型蒸发器的蒸发量。然后利用蒸发资料和水库水面面积，以月为计算时段，计算怀柔水库水面蒸发量。

式中：Ei，水库为第i月水库蒸发量，万 m3；Ai，水面面积为第i月水库平均水位相应的水面面积，km2；Ei，天然为第i月天然水体水面蒸发量，即E601型蒸发器的观测值，mm。

根据公式（2）计算得到怀柔水库2005—2019年水面蒸发量，结果见表1。

表1 怀柔水库2005—2019年逐月蒸发量计算表 单位：万m3

2.3 水面蒸发量变化特征

（1）蒸发量年内分配情况。根据怀柔水库2005—2019年逐月蒸发量计算表，绘制怀柔水库水面蒸发量年内变化柱状图，见图1。

图1 怀柔水库水面蒸发量平均值逐月分配图

从图1可以看出，怀柔水库的水面蒸发规律如下：11月—次年2月蒸发量较小，最小值出现在1月，1月平均蒸发量为16.6万m3；3—10月蒸发量较大，最大值出现在5月，5月平均蒸发量可达91.8万m3，是月平均蒸发量最小值的5.5倍。这是因为，北方地区5月气温虽然不是全年最高的，但空气干燥、风速大，蒸发损失也就越大；随着气温的逐渐降低，水库水面开始逐渐结冰，一般从11月底—次年3月初处于封冻期，此时水与空气之间有冰层的存在，减少了水面与空气的接触面积，从而使水面蒸发量明显减少。

（2）蒸发量年际分配情况。根据怀柔水库2005—2019年逐月蒸发量计算表，绘制怀柔水库水面蒸发量年际变化柱状图，见图2。

图2 怀柔水库水面蒸发量逐年分配表

水面蒸发量的年际分配情况可通过计算年际间的变差系数来分析[3]，公式如下：

式中：Cv为变差系数；n为统计量的个数；Ki为模比系数；Xi为年蒸发量，万m3；为年蒸发量均值，万m3。经计算，怀柔水库水面蒸发量年际变差系数为0.07，年际值比为1.37，可知年际间的变化较小。

（3）单位面积水面蒸发量计算。利用怀柔水库2005—2019年的年均水位面积和年内蒸发总量，可分别计算出怀柔水库多年平均水面蒸发量为597万m3，单位面积水面蒸发量为86万m3/km2，见表2。

表2 怀柔水库单位面积蒸发量计算

3 结论

（1）怀柔水库的E601型蒸发器与20cm口径蒸发皿水面蒸发量折算系数在0.50～0.72，多年平均值为0.63。比较两种蒸发器的数据的比值是否符合折算系数，避免出现人为读数误差。当其中一种蒸发器出现故障，导致缺测或数据欠准时，可利用折算系数和另一种蒸发器进行辅助计算。（2）怀柔水面蒸发量年内分配不均，5月为蒸发量最大的月份；年际间变化不大，多年平均蒸发量呈逐渐增加趋势。