數(shù)字水面蒸發(fā)站在容縣水文站的應(yīng)用分析

梁智杰

（玉林水文中心容縣水文中心站，廣西 容縣 537500）

1 測站基本概況

容縣水文站建于1951年11月，地處廣西容縣容城鎮(zhèn)容廂村，是國家基本水文站、北流河中游唯一控制站，集水面積2831 km2，轄區(qū)多年平均年降水量1 616.6 mm，由東南向西北遞減，年際變化不均勻。測驗項目有降水、水位、流量、水溫、岸溫、蒸發(fā)、水質(zhì)，目前已實現(xiàn)雨量、水位、流量、岸溫的在線監(jiān)測。一直以來，蒸發(fā)量的監(jiān)測采取每日一段制（每日8時）人工觀測。為推進水文監(jiān)測要素全自動化，容縣水文站于2017年4月安裝了YY-ZF-01A型數(shù)字水面蒸發(fā)站，并與E601型人工蒸發(fā)皿進行對比觀測分析。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、原理及計算方法

2.1 組成部分

YY-ZF-01A型數(shù)字式水面蒸發(fā)站系統(tǒng)（以下稱“蒸發(fā)站”或“系統(tǒng)”）由KYDM-F型數(shù)字水面蒸發(fā)計（以下稱蒸發(fā)計）、JD01 型數(shù)字雨量計（以下稱雨量計）、自動補水裝置、采集控制器（以下稱采集器）、上位機系統(tǒng)、供電系統(tǒng)組成（見圖1）。

圖1

2.2 工作原理

本蒸發(fā)站系統(tǒng)以蒸發(fā)計、雨量計、溢流桶為基本觀測工具，以采集器自動采集、處理、顯示蒸發(fā)、降水、自動控制蒸發(fā)桶、排水過程。采集器通過RS485/232 通信接口分別與上位機系統(tǒng)、數(shù)傳通信機（RTU）連接，利用系統(tǒng)配套的應(yīng)用軟件可以實現(xiàn)水面蒸發(fā)過程信息的遠程監(jiān)測及資料整編入庫。

蒸發(fā)桶水位高度應(yīng)保持在水位標(biāo)志線上。無降水日時，采集器自動采集蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度變化計算蒸發(fā)量。每當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度降至約定值時（水位標(biāo)志線以下10 mm，終端機設(shè)置中SYS Config1 的AW 為水位標(biāo)志線），采集器在觀測日分界時刻（水文分界日為8：00，氣象分界日為20：00）控制補水泵工作，給蒸發(fā)桶補水，使桶中水位恢復(fù)至水位標(biāo)志線高度，然后，以補水后穩(wěn)定水面的高度作為起測點，測量下一時段的蒸發(fā)量。

在降水日，當(dāng)蒸發(fā)桶水位升高至約定值（水位標(biāo)志線以上10 mm）時，采集器驅(qū)動電磁閥門關(guān)閉，記錄此時的水面高度，溢流泵工作排出測井中的水，當(dāng)測井中的水面下降到一定高度時，溢流泵停止工作，采集器記錄此時的水面高度，此時記錄器計算此次排水的高度差，從而根據(jù)測井的橫截面積計算出此次的溢流量，記錄器再打開電磁閥，等待下次溢流。

2.3 計算方法及過程

依據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）及國家氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》（GB/T35237-2017）規(guī)定，蒸發(fā)量的計算公式為：蒸發(fā)量=（蒸發(fā)桶水位起算值-蒸發(fā)桶水位測量值）×1.1+降水量-溢流量?？珊喕硎緸椋篞F=（W0-Wt）+Qj-Qy，式中：QF為水面蒸發(fā)量，mm；Wt為測量時刻t的蒸發(fā)桶水位，mm；W0為起算時刻的蒸發(fā)桶水位，mm；Wt、W0值由YY-ZF-01A 型數(shù)字水面蒸發(fā)計自動測量；Qj為被測時段內(nèi)的降水量，由YY-ZF-01A 型數(shù)字雨量計提供，mm；Qy為被測時段內(nèi)的溢流量，由測井自動測量，mm。

3 監(jiān)測資料對比分析情況

采取人工觀測的方式計算出每日蒸發(fā)量與蒸發(fā)站系統(tǒng)所計算出每日蒸發(fā)量進行對比，通過匯總分別對兩者相對應(yīng)日期的日蒸發(fā)量、旬蒸發(fā)量、月蒸發(fā)量、年蒸發(fā)量進行對比分析，從而探討YY-ZF-01A型數(shù)字水面蒸發(fā)站在容縣水文站的實用性。與此同時，也通過人工觀測降雨量與該蒸發(fā)站所監(jiān)測的降雨量進行對比，研究兩者降雨相關(guān)性。

3.1 降雨量資料分析

儀器自2017年4月安裝后，儀器設(shè)備運行相對正常，監(jiān)測資料連續(xù)穩(wěn)定，降雨量資料采用2018年1月～2019年9月的人工觀測與自動監(jiān)測同步觀測的降雨量資料進行分析。通過數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，2018年1月～2019年9月期間，降雨量誤差大于±4%有129 d，占總降雨天數(shù)的42.0%；自動監(jiān)測2018年1月～2019年9月期間的總降雨量為3 082.3 mm，比人工觀測的年降雨量3 269.6 偏少5.73%。人工觀測與自動監(jiān)測的降雨量誤差略偏大。

將人工觀測的日雨量與自動監(jiān)測的日雨量資料進行繪制散點圖（見圖2）。由圖1可見，人工觀測與自動監(jiān)測的雨量資料點子密集，呈直線趨勢，建立人工觀測降雨量x與自動監(jiān)測降雨量y的回歸直線方程，2018年1月～2019年9月期間，兩者的相關(guān)方程為y=1.0 593x+0.0 935，相關(guān)系數(shù)為R2=0.9 893，說明兩種觀測方式取得的降雨量資料點子存在相關(guān)關(guān)系，且關(guān)系密切。

圖2 容縣站自動蒸發(fā)站雨量與人工觀測雨量相關(guān)性圖

3.2 蒸發(fā)量對比分析

3.2.1 蒸發(fā)量對比分析過程

采用2018年1月～2019年9月自動監(jiān)測與人工觀測蒸發(fā)量資料進行對比分析。在匯總數(shù)據(jù)過程中發(fā)現(xiàn)，2018年共出現(xiàn)20 d自動蒸發(fā)數(shù)值為0情況，共出現(xiàn)10 d 冒大數(shù)情況（日蒸發(fā)量大于7 mm 認定為冒大數(shù)），其中6月份出現(xiàn)了8 d冒大數(shù)及1 d數(shù)值為0；2019年1～9月出現(xiàn)23 d數(shù)值為0，7 d出現(xiàn)冒大數(shù)情況，其中4月出現(xiàn)故障較頻繁，共13 d數(shù)值為0，兩天冒大數(shù)。出現(xiàn)以上原因主要是2018年的6月以后電磁閥、補水閥門出現(xiàn)漏水、滲水情況，致使蒸發(fā)桶內(nèi)經(jīng)常性的自動補水以及排水，從而造成自動蒸發(fā)站所監(jiān)測的蒸發(fā)數(shù)據(jù)明顯變大或者造成程序計算紊亂作0 處理，另外一個原因是由于降蒸一體化接收查詢軟件的不成熟，有時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)計算錯誤的現(xiàn)象。針對以上原因，2019年4月份聯(lián)系廠家更換了新的電磁閥以及補水閥門。以上出現(xiàn)冒大數(shù)以及為自動蒸發(fā)為0 的數(shù)值，為避免對分析過程造成影響，在對比過程中，人工觀測與自動蒸發(fā)站的日蒸發(fā)量均按0處理。

經(jīng)剔除異常數(shù)值后的蒸發(fā)數(shù)據(jù)對比分析見圖3和表1。

表1 容縣水文站自動蒸發(fā)站監(jiān)測與人工監(jiān)測日、旬、月、累計蒸發(fā)量對比分析誤差表

3.2.2 蒸發(fā)量對比分析結(jié)果

通過圖2可發(fā)現(xiàn)，2018年 1月～2019年 9月期間蒸發(fā)站與人工觀測的的日蒸發(fā)量兩者的相關(guān)方程為y=0.8 375x+0.5 253，相關(guān)系數(shù)為R2=0.7 212，說明兩者相關(guān)關(guān)系較差，日蒸發(fā)量的對比相對誤差較大；通過表1、表2、表3 發(fā)現(xiàn)，相對誤差小于或等于5%的日、旬、月蒸發(fā)量占比分別為14.01%、25.40%、52.38%，年蒸發(fā)量相對誤差為2.28%及2018年1月～2019年總蒸發(fā)量相對誤差2.03%。對比可明顯發(fā)現(xiàn)，2018年1月～2019年9月期間，自動蒸發(fā)站監(jiān)測與人工監(jiān)測的月、年累計蒸發(fā)量相對誤差逐步減小，YY-ZF-01A型數(shù)字水面蒸發(fā)站的月蒸發(fā)量與年蒸發(fā)量可用于資料整編，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

隨著水文現(xiàn)代化的推進，水文巡測模式的改變，水文監(jiān)測全自動化勢在必行，自動蒸發(fā)站在線監(jiān)測系統(tǒng)也在逐步完善，新儀器設(shè)備的應(yīng)用也會逐步推開。

從本次使用YY-ZF-01A 型數(shù)字水面蒸發(fā)站與人工觀測的月蒸發(fā)量以及年蒸發(fā)量對比分析數(shù)據(jù)來看，該蒸發(fā)站在容縣水文站具有較強的實用性，值得推廣應(yīng)用。