E601 型蒸發(fā)站在群庫(kù)勒水文站的應(yīng)用探討

徐 偉

（新疆阿勒泰水文勘測(cè)局，新疆 阿勒泰 836500）

1 E601型蒸發(fā)站工作原理

E601 型蒸發(fā)站系統(tǒng)主要由浮子式數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)、補(bǔ)水器、采控器、上位機(jī)及太陽(yáng)能供電等部分構(gòu)成，其中，基本觀(guān)測(cè)工具主要是蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)和溢流桶，主要進(jìn)行蒸發(fā)量信息的采集與處理，蒸發(fā)、降水及溢流等過(guò)程信息的顯示，蒸發(fā)桶及排水過(guò)程的測(cè)控等。通過(guò)RS485/232 通信接口和上位機(jī)相連的采集器主要借助系統(tǒng)軟件進(jìn)行水面蒸發(fā)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息收集及資料整編。

在非降水日，采集器通過(guò)采集蒸發(fā)桶內(nèi)的水面高度變動(dòng)情況信息進(jìn)行蒸發(fā)量的相關(guān)計(jì)算，當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面線(xiàn)降至所設(shè)定標(biāo)線(xiàn)以下1.5 cm 時(shí)，采集器便會(huì)在8：00 的觀(guān)測(cè)日分界點(diǎn)控制補(bǔ)水泵自動(dòng)向蒸發(fā)桶補(bǔ)水，待桶內(nèi)水位上升至設(shè)定標(biāo)線(xiàn)之上2.0 cm 后，重新以補(bǔ)水后的水面線(xiàn)為起測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行蒸發(fā)量觀(guān)測(cè)。

在降水日，當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面線(xiàn)升至設(shè)定標(biāo)線(xiàn)之上2.5 cm時(shí)，溢流閥便會(huì)在采集儀的驅(qū)動(dòng)下全部開(kāi)啟后進(jìn)行人工排水；而當(dāng)水位線(xiàn)降至設(shè)定標(biāo)線(xiàn)以下1.5 cm 時(shí)溢流閥閉合，排水過(guò)程停止。排水前后及排水過(guò)程中的水位、雨量等信息均會(huì)由采集儀自動(dòng)記錄，并根據(jù)《水面蒸發(fā)觀(guān)測(cè)規(guī)范》和《地面氣象觀(guān)測(cè)規(guī)范》分段計(jì)算當(dāng)日溢流量和蒸發(fā)量，公式如下：

E601 型蒸發(fā)站蒸發(fā)計(jì)主要包括直徑24 cm 的靜水桶和直徑61.8 cm 的蒸發(fā)桶兩部分，通過(guò)管道連接后能確保靜水桶和蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度一致性。靜水桶始終處于密封狀態(tài)，可認(rèn)為其蒸發(fā)量為零，所以蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度變化情況可由靜水桶內(nèi)水面高度反映并通過(guò)傳感器進(jìn)行量測(cè)，故其蒸發(fā)量測(cè)算公式可調(diào)整［1]為：

2 群庫(kù)勒水文站概況

新疆阿勒泰地區(qū)布爾津縣沖乎爾鎮(zhèn)群庫(kù)勒水文站于20 世紀(jì)50年代中期建站，測(cè)站于2019年7月建成E601 型蒸發(fā)站并開(kāi)始蒸發(fā)量的蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)。該測(cè)站是當(dāng)前新疆阿勒泰地區(qū)為數(shù)不多的采用E601 型蒸發(fā)站與人工同時(shí)測(cè)量的觀(guān)測(cè)站。測(cè)站位于阿勒泰山西南麓，大陸深處遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的大陸性寒涼氣候區(qū)域，蒸發(fā)巨大，水汽補(bǔ)充源稀少，十分不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3 比測(cè)情況及分析

將群庫(kù)勒水文站人工觀(guān)測(cè)日所取得的蒸發(fā)量資料和E601型蒸發(fā)站當(dāng)日蒸發(fā)量資料進(jìn)行比測(cè)。群庫(kù)勒水文站主要進(jìn)行水位、泥沙、流量、降水、蒸發(fā)等水文項(xiàng)目的觀(guān)測(cè)，2019年E601 蒸發(fā)計(jì)所測(cè)年蒸發(fā)量845.5 mm，年降雨量729.9 mm，為提升比測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在E601 蒸發(fā)計(jì)的基礎(chǔ)上新建起E601 型蒸發(fā)站，并通過(guò)對(duì)蒸發(fā)場(chǎng)周邊測(cè)量環(huán)境的一致性處理，使干擾因素大大降低。

3.1 原始比測(cè)數(shù)據(jù)

選定群庫(kù)勒水文站實(shí)際蒸發(fā)量人工觀(guān)測(cè)與觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)比測(cè)時(shí)間段為2019年7月～10月，共4 個(gè)月123 天，其中8月的比測(cè)日數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 群庫(kù)勒水文站蒸發(fā)量人工觀(guān)測(cè)與觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析單位：mm

3.1.1 E601 型蒸發(fā)站與人工蒸發(fā)比測(cè)

在2019年7月～10月的觀(guān)測(cè)期間內(nèi)，人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)蒸發(fā)總量分別為265.5 mm、267.3 mm，絕對(duì)誤差1.84 mm，相對(duì)誤差0.69%，7月～10月E601 型蒸發(fā)站與人工蒸發(fā)比測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2019年7月～10月E601 型蒸發(fā)站與人工蒸發(fā)比測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在7月～10月共4 個(gè)月123 d 的比測(cè)過(guò)程中，人工觀(guān)測(cè)的8月最大日蒸發(fā)量達(dá)6.5 mm，蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)值為6.3 mm，絕對(duì)誤差-0.2 mm；人工觀(guān)測(cè)的8月最小日蒸發(fā)量1.0 mm，蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)為0.9 mm，絕對(duì)誤差-0.1 mm。在123 天的比測(cè)過(guò)程中，人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)日蒸發(fā)量誤差絕對(duì)值在0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm 及0.2 mm 以?xún)?nèi)的天數(shù)分別為109 d、97 d、86 d 和84 d，分別占總觀(guān)測(cè)天數(shù)的88.62%、78.86%、69.92%和68.29%。

觀(guān)測(cè)期間降雨日為31 d，人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)日蒸發(fā)量誤差在0.2 mm 內(nèi)的天數(shù)為24 d，占總觀(guān)測(cè)天數(shù)的19.51%；其余92 d 均為非降雨日，人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)日蒸發(fā)量誤差在0.2 mm 內(nèi)的天數(shù)為68 d，占總觀(guān)測(cè)天數(shù)的55.28%。

3.1.2 E601 型蒸發(fā)站與人工降雨比測(cè)

在7月～10月的比測(cè)過(guò)程中降雨日為31 d，蒸發(fā)站所顯示的降雨日為30 d，人工觀(guān)測(cè)降雨比E601 型蒸發(fā)站多一日的當(dāng)天降雨量為0.2 mm。比測(cè)期間，人工觀(guān)測(cè)降雨總量442.1 mm，蒸發(fā)站數(shù)字雨量計(jì)所測(cè)降雨總量為439.5 mm，絕對(duì)誤差為-2.6 mm，相對(duì)誤差為0.59%。比測(cè)過(guò)程中降水日共有31 d，蒸發(fā)站數(shù)字雨量計(jì)所測(cè)降水量比人工觀(guān)測(cè)降水量大的有2 d、比人工觀(guān)測(cè)降水量小的有18 d，相等的有11 d。

3.2 誤差分析

在7月～10月的比測(cè)過(guò)程中，人工觀(guān)測(cè)蒸發(fā)量和E601 型蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)蒸發(fā)量誤差為正的有46 d，占比37.4%；誤差為負(fù)的有37 d，占比30.08%；無(wú)誤差的有40 d，占比32.52%。則可計(jì)算出比測(cè)期間人工觀(guān)測(cè)蒸發(fā)量和E601 型蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)蒸發(fā)量的標(biāo)準(zhǔn)差：

式中：Ei為人工觀(guān)測(cè)日蒸發(fā)量和E601 型蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)日蒸發(fā)量相對(duì)誤差，%；μ 為日蒸發(fā)量觀(guān)測(cè)相對(duì)誤差均值，%；N 為比測(cè)日數(shù)，d。經(jīng)計(jì)算，群庫(kù)勒水文站比測(cè)期間人工觀(guān)測(cè)蒸發(fā)量和E601型蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)蒸發(fā)量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.1%。

按照《水面蒸發(fā)觀(guān)測(cè)規(guī)范》，極限偏差取±0.2 mm，誤差絕對(duì)值≤0.2 mm 則為一致。在所進(jìn)行的123 d 的比測(cè)過(guò)程中，日蒸發(fā)量誤差絕對(duì)值在0.2 mm 以?xún)?nèi)的天數(shù)84 d，占總觀(guān)測(cè)天數(shù)的68.29%，E601 型蒸發(fā)站蒸發(fā)量誤差符合規(guī)范要求［2]。

進(jìn)行123 組人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)有效比測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，其相關(guān)關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，由分布情況可以看出，比測(cè)數(shù)據(jù)近似圍繞1 ∶1 直線(xiàn)分布，表明，人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)的日蒸發(fā)量值線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系良好，且線(xiàn)性方程為y=0.9294x+0.1897，R2=0.9264，且通過(guò)0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)有效比測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系曲線(xiàn)

考慮到蒸發(fā)量計(jì)算受降雨量影響較大，為此還應(yīng)進(jìn)行比測(cè)期間降雨量誤差的分析。比測(cè)過(guò)程中總降雨量人工觀(guān)測(cè)值與蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)值絕對(duì)誤差-2.6 mm，相對(duì)誤差為0.59%，根據(jù)《水面蒸發(fā)觀(guān)測(cè)規(guī)范》可以判斷，降雨量觀(guān)測(cè)誤差較小。

3.3 誤差的可能原因

水面蒸發(fā)受環(huán)境溫度、降水量、水溫、水氣壓力差、濕度、季節(jié)等諸多因素影響，而且人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)也存在施測(cè)環(huán)境、儀器等不可控制因素所導(dǎo)致的誤差，群庫(kù)勒水電站人工蒸發(fā)量觀(guān)測(cè)方式沿用至今必然有其科學(xué)性與可借鑒參考性。根據(jù)比測(cè)資料，在8：00 的觀(guān)測(cè)日分界點(diǎn)，大風(fēng)所引起的觀(guān)測(cè)水面波動(dòng)較大，人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)蒸發(fā)量數(shù)據(jù)均存在較大誤差，以人工觀(guān)測(cè)值為參考依據(jù)，則應(yīng)縮小E601 型蒸發(fā)站測(cè)量值與人工觀(guān)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差，以符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

群庫(kù)勒水文站E601 型蒸發(fā)站自2019年7月運(yùn)行以來(lái)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，并未出現(xiàn)測(cè)量故障。在2019年7月～10月的比測(cè)期間，日蒸發(fā)量人工觀(guān)測(cè)和蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)值絕對(duì)誤差在0.5 mm 以?xún)?nèi)的天數(shù)為109 d，占觀(guān)測(cè)總天數(shù)的88.62%，絕對(duì)誤差在0.2 mm 以?xún)?nèi)的天數(shù)為84 d，占觀(guān)測(cè)總天數(shù)的68.29%，完全符合《水面蒸發(fā)觀(guān)測(cè)規(guī)范》相關(guān)要求，表明E601型蒸發(fā)站數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)精度相當(dāng)接近人工觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)精度，數(shù)據(jù)可靠性有保障。在非降雨情況下蒸發(fā)桶內(nèi)液面下降至設(shè)計(jì)液限以下時(shí)蒸發(fā)站會(huì)自動(dòng)補(bǔ)水，而降雨量較大時(shí)，蒸發(fā)桶內(nèi)液面超出設(shè)計(jì)液限后儀器會(huì)自動(dòng)取水，而且該蒸發(fā)測(cè)站系統(tǒng)采用0.1 mm 翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行降雨觀(guān)測(cè)，較大降雨阻礙翻斗及時(shí)翻轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失，而稱(chēng)重式雨量計(jì)不存在這個(gè)問(wèn)題。

隨著我國(guó)水文觀(guān)測(cè)事業(yè)的不斷進(jìn)步，E601 型蒸發(fā)站蒸發(fā)觀(guān)測(cè)儀器逐步取代人工觀(guān)測(cè)已是必然，本文所研究的群庫(kù)勒水文站E601 型蒸發(fā)站觀(guān)測(cè)精度已達(dá)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其取代人工觀(guān)測(cè)后便能真正實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。