李婵娟 段新光 焦有权

摘要：水库库面蒸发是引起水库水量损失的主要影响因素之一，本文利用密云水库1960—2016年Ф20蒸发皿实测蒸发量资料，运用数理统计的方法初步分析了密云水库蒸发量的月、季节、年以及代际变化特性，变化趋势以及突变情况，统计了其折算系数变化过程。结果表明：57年长系列数据下密云水库蒸发量月、季节、年蒸发量都有上升的趋势，但上升趋势不显著;偏多趋势多发生在夏、秋两季，年内分配不均匀，代际蒸发量经历了“多—少—多—多—多—多”的变化过程，根据累积距平曲线和Yamamoto检验法对年蒸发量进行突变分析，得出密云水库年蒸发量在1976年发生一次突变。

Abstract： Reservoir surface evaporation is one of the main influencing factors that cause reservoir water loss. This paper uses the measured evaporation data of Ф20 evaporation pan from Miyun Reservoir from 1960 to 2016， and uses mathematical statistical methods to analyze the characteristics of monthly， seasonal， annual and intergenerational changes， trends and abrupt changes of Miyun Reservoir evaporation， and statistics the change process of its conversion coefficient. The results show that the monthly， seasonal， and annual evaporation of Miyun Reservoir has an upward trend under the 57-year long series of data， but the upward trend is not significant. Most of the trends occur in summer and autumn， and the distribution is uneven during the year. The global evaporation has undergone a "many-less-many-many-many-many-many" change process. According to the cumulative anomaly curve and the Yamamoto test， the abrupt change of the annual evaporation was analyzed， and it was concluded that the abrupt change occurred in the annual evaporation of Miyun Reservoir in 1976.

关键词：密云水库;蒸发系数;蒸发量;变化趋势

Key words： Miyun Reservoir;evaporation coefficient;evaporation; change trend

中图分类号：P333                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0200-03

0  引言

统计数据表明，在过去50年里，工业化污染带来的温室效应造成全球气候变暖，使全球气温平均每10年上升0.15摄氏度，科学界普遍认为，气候变暖必然导致水面蒸发加剧[1]。蒸发是水循环的重要环节，也是地表热量平衡和水量平衡的重要组成部分，是地表水和地下水的主要影响因素;而蒸发是热能交换的重要因子，可增加空气湿度、增加最低温度或减少最高温度，能够起到大气调节作用。[2]因此，研究密云水库蒸发量的变化特性对研究密云水库气候变化规律有着重要意义，同时通过分析密云水库近57年蒸发量变化特性，可以对水库水量损失分析及水资源管理利用提供參考。

1  密云水库概况

密云水库是北京唯一地表饮用水源地，总库容为43.75亿m3，最大水面面积为188km2。流域属中纬度大陆性季风气候，冬季干旱，春秋多风。降雨量的年内分配和年际间变化很不均匀，降水量主要集中在6—9月，尤其集中在7、8月份。6—9月份降雨量约占全年降雨量的80%。多年平均降雨量为480.0mm，多年平均气温为10.9℃ ，最高气温41.5℃，最低气温-22.5℃[3]。

2  蒸发折算系数及观测地点变化过程

密云水库现有蒸发监测资料的蒸发器除Ф20蒸发皿外，还有E601型蒸发器。由于Ф20蒸发皿和E601型蒸发器结构、造型的不同，使其蒸发量在数值上也存在着一定的差异，为了方便比较、分析，对E601型蒸发器的观测值需要进行折算，统一折算到Ф20蒸发皿上。

2.1 蒸发系数变化过程

通过查询密云水库水文资料统计表得出：1960—1976年，密云水库蒸发系数采用官厅水库蒸发试验成果，Ф20蒸发皿折算系数为0.45;1977—1981年，蒸发资料为实测值，未经折算;1982年北京市协计组对密云水库的来水量和供水量进行了比较系统的分析计算，20cm蒸发器折算系数采用0.52;1982年至今，其蒸发折算系数仍采用0.52 [4]。

2.2 观测地点变化

通过查询密云水库水文资料统计表得出：1951—1968年采用白河溪翁庄水文站观测，1969—1984年采用密云县气象站观测。1985年—1986年采用白河坝前果园滴灌站观测。1987—2004年采用调节池站观测。2004年7月9日—2007年5月27日采用白河坝下出库站观测。2007年5月28日至今采用调节池管理站观测[5]。

2.3 资料与方法

本文采用密云水库57年来Ф20蒸发皿所观测的实测蒸发量统计资料。由于Ф20蒸发皿支撑木桩高0.7m，口径小，并且长期暴露在室外水文观测场中，受到大气温度、大气湿度、风等气象因素影响比较大，其观测值往往要比实际值大。但Ф20蒸发皿观测值具有较长的时间序列和较好的可比性，能反映出密云水库的蒸发量一般规律。

资料选用密云水库1960—2016年共57年实测蒸发资料。运用数理统计分析方法对蒸发量的月、季节、年以及5a平均滑动序列进行分析，并以10年为一代际，分析蒸发量的代际变化，计算分析蒸发线性倾向趋势以及突变情况。

3  蒸发量变化特征

3.1 年际变化

按照1960—2016年蒸发序列对蒸发量年际变化特性进行分析，利用5a滑动平均法和Mann-Kendall秩次相关检验法对密云水库库区蒸发量进行趋势分析，见图1。

从图1中可以看出，密云水库年均蒸发量为1214.2mm，1978年蒸发量最大，为1737.1mm，1975年蒸发量最小，为474.9mm，其极值比为3.66。蒸发量呈波动式的上升趋势，其倾向值为45.1mm/10a，上升趋势比较平缓。

Mann-Kendall 秩次相关检验法是水文计算中常用的一种检验方法，其计算统计量公式如下：

（1）

式中：N为蒸发序列的总长度，P为蒸发序列中所有对偶值（）中Qi>Qj出现的个数[6]。

选用置信水平α=0.05，利用Mann-Kendall 秩次相关检验法对蒸发变化趋势进行检验，计算得出，U=0.22，其绝对值小于临界值Uα/2，表明密云水库年蒸发量上升变化趋势不显著，这与5a滑动平均法检验的结果是保持一致的。

3.2 季节变化

从表1统计数据可以得出， 密云水库年平均蒸发量为1217.7mm。其中，夏季蒸发量最大，为510.1mm，占全年的41.9%，其次是秋季363.6mm，占全年的29.8%，冬季蒸发量最小，为175mm，占全年的13.9%。

根据密云水库四个季节的实测蒸发资料，得出密云水库四个季节蒸发量变化曲线，见图2。从图2可以看出，密云水库四季蒸发量整体呈上升趋势，在夏季、秋季上升趋势比较明显，倾向值分别为15.7mm/10a、17.1mm/10a，春季和冬季上升趋势比较平缓，倾向值分别为9.4mm/10a、3.1mm/10a。由此可以初步得出，夏、秋两季蒸发量在年蒸发量中的影响占主要作用。

3.3 月变化

受气候变化影响，蒸发的年内分配很不均匀，夏季气温最高，蒸发量最大;冬天气温最低，蒸发量小。表2给出了密云水库各月平均蒸发量、线性倾向和相关系数，从表2可以看出，57年以来，密云水库月平均蒸发量为98mm，月最小蒸发量一般出现在每年的1月份或12月份，仅占全年的3%左右，3月开春后，由于温度迅速回暖，且风速大、降水非常少，所以全年蒸发旺盛期多出现在5、6月份，月最大蒸发量也多出现在5月份或6月份，5月最大，月蒸发量占全年蒸发量的15%左右，6月份月蒸发量约占全年的14%左右。各月的蒸发量除了10月份均有不同程度的上升趋势，其中8月份蒸发量的倾向值为2.28mm/10a，上升趋势比较明显，11月份的倾向值为0.11mm/10a，上升趋势最不明显，10月份的倾向值为-0.01，蒸发量呈下降趋势，但下降趋势不明显。利用显著性检验密云水库各月蒸发相关系数，从表2可以得出，2—8月以及12月份的相关系数大于0.2以上，1、9、11月份的相关系数大于0.1以上，10月份的相关系数为0.006。其中，7月份和8月份的相关系数超过0.05的显著水平，8月份超过0.01的显著水平。

3.4 代际变化

根据密云水库实测蒸发资料，得出表3。从表3中可以看出，密云水库代际蒸发量在20世纪80年代最大，为1545.5mm，距平值为720.1mm;20世纪60年代蒸发量最小，为719.9mm，距平值为-105.5mm。代際蒸发量经历了“多—少—多—多—多—多”的变化过程。

4  蒸发量突变分析

本文利用距平累加法得出密云水库年蒸发量的距平累加曲线（见图3）和时间序列变化曲线（见图4）。从图3、图4中可以看出1976年、2004年为密云水库年蒸发量的转折点，其距平累距绝对值分别为-4804.6mm和1161.9mm。其中，1976年为蒸发量从偏少期转为偏多期转折点，突变前年平均蒸发量距平为-267.6mm，突变后为213mm;2004年为蒸发量从偏多期转为偏少期的转折点，突变前年平均蒸发量距平为213mm，突变后为-145.5mm;并且2004年以后蒸发量呈一直减少趋势。

为了检验转折点是否达到气候突变的标准，本文采用了Yamamoto检验法，此方法是检测气候突变的一种常用检测法。为了检验密云水库转折点是否达到气候突变的标准，计算了各转折年份的信噪比，公式如下：

（2）

式中，是轉折年份前后阶段要素的平均值，Sa、Sb为标准差，当S/N大于1时，可认为该要素在这个年份存在气候突变，反之突变不明显[6]。

计算得出密云水库1976年和2004年的信噪比分别为13.7和0.94，1976年蒸发量的信噪比大于1，可认为是气候突变年，而2004年蒸发量的信噪比小于1，可认为气候突变不明显，只能作为气候的转折年份。

5  结论

①密云水库年蒸发量倾向值为45.1mm/10a，总体上呈波动式的上升趋势，但经Mann-Kendall 秩次相关检验法检验，其上升变化趋势不显著。

②密云水库夏季蒸发量最大，为510.1mm，占全年的41.9%，其次是秋季，363.7mm，占全年的29.9%，冬季蒸发量最小，为175mm，占全年的13.9%。四季的倾向值都为正值，分别为9.4mm/10a、15.7mm/10a、17.1mm/10a、 3.1mm/10a，其中夏、秋两季的倾向值大于春冬两季。

③密云水库年内蒸发分配不均，5月份蒸发最大，为180mm， 12月份蒸发最小为32mm。各月的蒸发量除了10月份均有不同程度的上升趋势，其中8月份蒸发量的倾向值为2.28mm/10a，上升趋势最大， 11月份的倾向值为0.11mm/10a，上升趋势最小，10月份的倾向值为-0.01，蒸发量呈下降趋势，但下降趋势不明显。

④年蒸发量在1976年前后蒸发量的信噪比大于1，存在突变现象;而2004年蒸发量的信噪比小于1，只能作为气候的转折年份。

参考文献：

[1]车红军.气候变暖对水面蒸发的影响[J].海河水利，2004（6）.

[2]芮孝芳.水文学原理[M].南京：河海大学出版社，1991.

[3]密云水库水文手册.密云水库管理处，2012.

[4]密云水库水文资料统计表.密云水库管理处，2012.

[5]高海伶.密云水库库区水面蒸发时空变化规律分析[J].北京水务，2010（5）：28-30.

[6]叶守泽.水文水利计算[M].北京：水利电力出版社，1992.

[7]张立中.水资源管理[M].北京：中央广播电视大学出版社，2001.

[8]卜庆雷，王西磊.莱芜市近30年蒸发量及其变化分析[J].大众科技，2006（4）：195-196.

[9]黄嘉佑.气候状态变化趋势与突变分析[J].气象，1996，21（5）：56-57.

[10]付晓花，董增川，刘晨，等.滦河流域径流变化及其驱动力分析[J].南水北调与水利科技，2013（05）：10-14.

作者简介：李婵娟（1985-），女，北京人，工程师，本科，研究方向为水资源与流域规划;焦有权（通讯作者）（1976-），男，北京人，副教授，工学博士，研究方向为水利工程。