六陳水文站自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)比測分析

黃文疆，廖炳忠

（貴港水文中心，廣西 貴港 537100）

1 測站基本概況

六陳水文站設(shè)立于1961年1月，位于貴港市平南縣六陳鎮(zhèn)，是珠江流域西江水系白沙江的重要控制站，屬國家基本水文站，流量測驗(yàn)為二類精度站，集水面積450 km2，主要測驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、降水、蒸發(fā)等。

六陳站蒸發(fā)觀測場處在六陳水庫壩首山坡上，山坡露出馬腳度約有15°，西北面高，東南面低為迎風(fēng)坡。觀測場尺寸為10 m×10 m，觀測設(shè)備有：人工雨量計(jì)、遙測雨量計(jì)、E601B蒸發(fā)器、自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)、氣溫觀測使用百葉箱。四周相對空曠，受遮檔物影響較小。

2 設(shè)備引進(jìn)及安裝調(diào)試情況

2.1 任務(wù)由來

為解決傳統(tǒng)水面蒸發(fā)工作強(qiáng)度大、效率低、自動(dòng)化功能不足等問題，六陳站于2017年底引進(jìn)安裝了北京金水燕禹科技有限公司研制的YY-ZF-01A型自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)，并開展比測分析工作。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

YY-ZF-01A型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)以E601B型標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器、水位傳感器為蒸發(fā)量和溢流量觀測器具，以JD01A型翻斗雨量傳感器為降水量觀測器具，以水面遙測蒸發(fā)器主機(jī)實(shí)時(shí)采集處理蒸發(fā)、溢流、降水?dāng)?shù)據(jù)，并控制對蒸發(fā)桶、水圈的自動(dòng)補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)量的全自動(dòng)、采集、實(shí)時(shí)在線測量、記錄。系統(tǒng)主要由KYDM-F型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)、JD01型數(shù)字雨量計(jì)、自動(dòng)補(bǔ)水裝置、采集控制器）、上位機(jī)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成示意圖見圖1。

圖1 YY-ZF-01A型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)組成示意圖

2.3 工作原理

YY-ZF-01A型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)以數(shù)字型水面蒸發(fā)計(jì)、JD01A型數(shù)字雨量計(jì)、內(nèi)置溢流桶為基本觀測工具，采集器自動(dòng)采集、處理、顯示蒸發(fā)量、降水量、溢流量的過程信息。并通過蒸發(fā)查詢軟件平臺實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)信息自動(dòng)監(jiān)測過程。

（1）YY-ZF-01A型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)的E601B型蒸發(fā)桶水位高度保持在水位標(biāo)志線上。

（2）無降水日的日分界時(shí)刻，采集器自動(dòng)采集E601B型蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度變化計(jì)算蒸發(fā)量。當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度降至水位標(biāo)志線以下10 mm時(shí)，采集器在每日08：00控制補(bǔ)水泵工作，給蒸發(fā)桶補(bǔ)水，使桶中水位恢復(fù)至水位標(biāo)志線高度，并以此作為起測點(diǎn)，測量下一時(shí)段的蒸發(fā)量。

（3）在降水日，當(dāng)有溢流產(chǎn)生時(shí)，溢流計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)算出溢流量并通過水泵將溢流部分排入溢流井內(nèi)的溢流桶，雨量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測降雨量，在日分界時(shí)刻蒸發(fā)計(jì)監(jiān)測E601B型蒸發(fā)桶水面高度的變化，計(jì)算出蒸發(fā)量。

根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL 630-2013）規(guī)定，日蒸發(fā)量=（蒸發(fā)桶水位起算值-蒸發(fā)桶水位測量值）×1.15+降水量-溢流量，可簡化表示為：QF=（W0-Wt）×1.15+Qj-Qy，式中：QF為水面蒸發(fā)量，mm；Wt為測量時(shí)刻t的蒸發(fā)桶水位，mm；W0為起算時(shí)刻的蒸發(fā)桶水位，mm；Wt、W0值均由YY-ZF-01A型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)自動(dòng)測量；Qj為被測時(shí)段內(nèi)的降水量，由YY-ZF-01A型數(shù)字雨量計(jì)提供，mm；Qy為被測時(shí)段內(nèi)的溢流量，由測井自動(dòng)測量，mm。

3 比測執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

蒸發(fā)量比測是指自動(dòng)蒸發(fā)器觀測的蒸發(fā)量與人工觀測的蒸發(fā)量兩者之間進(jìn)行對比。本報(bào)告的蒸發(fā)量比測以人工觀測的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，比測執(zhí)行《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL 630-2013）、《降水量觀測規(guī)范》（SL 21-2015）以及《廣西水文流量泥沙蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)率定分析關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綱要（試行）》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)蒸發(fā)量檢驗(yàn)分析應(yīng)滿足以下4項(xiàng)指標(biāo)之一者，可投產(chǎn)使用。

（1）日蒸發(fā)量分析。檢驗(yàn)分析期間日蒸發(fā)量絕對誤差不大于1 mm日數(shù)的合格率大于90%，不大于0.6 mm日數(shù)的合格率大于75%；不大于0.3 mm日數(shù)的合格率大于60%。

（2）旬蒸發(fā)量分析。檢驗(yàn)分析期間大部分旬?dāng)?shù)旬蒸發(fā)量相對誤差需不大于±20%，不滿足精度要求的需分析原因。

（3）月蒸發(fā)量分析。檢驗(yàn)分析期間大部分月數(shù)月蒸發(fā)量相對誤差需不大于±10%，不滿足精度要求的需分析原因。

（4）已批復(fù)蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的站點(diǎn)、新增加蒸發(fā)量觀測項(xiàng)目且采用蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的站點(diǎn)，通過不少于3次/年的注水試驗(yàn)校驗(yàn)，精度合格的，可（繼續(xù)）投產(chǎn)使用。

4 比測校驗(yàn)情況

4.1 比測目的

蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)比測分析目的，核心是將自動(dòng)蒸發(fā)量與人工蒸發(fā)量進(jìn)行同步監(jiān)測對比，校驗(yàn)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)性能情況，及其監(jiān)測成果與傳統(tǒng)人工觀測的蒸發(fā)量成果差異情況，證實(shí)以自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)取代傳統(tǒng)人工觀測方法的可行性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)監(jiān)測自動(dòng)化與智能化目的。

4.2 比測分析方法

蒸發(fā)量比測檢驗(yàn)方法有多種，本次分析方法采用自動(dòng)與人工同步比測法。在確保蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行正常前提下，連續(xù)開展12個(gè)月蒸發(fā)量、降水量等關(guān)鍵要素比測工作，編制逐日蒸發(fā)量、降水量等自動(dòng)與人工同步監(jiān)測成果對比表，統(tǒng)計(jì)及點(diǎn)繪旬、月、年等時(shí)段總月量相關(guān)關(guān)系圖（表），校驗(yàn)與分析以自動(dòng)監(jiān)測取代傳統(tǒng)人工觀測的可行性、可靠性及適用條件等。

4.3 資料收集

本文分析采用的資料是六陳站2020年全年共366 d的降水量、蒸發(fā)量對比觀測資料。因自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)有時(shí)會出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象，通過人工方法發(fā)現(xiàn)并改正一些有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。采用訂正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。訂正的數(shù)據(jù)見表1。

表1 六陳站2020年自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)據(jù)訂正表

5 比測資料分析

5.1 降雨量比測成果分析

5.1.1 日降雨量誤差分析

對人工與自動(dòng)觀測的逐日降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)及對比分析，得出逐日降水量絕對誤差頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表2），同時(shí)點(diǎn)繪逐日降雨量散點(diǎn)對比圖（見圖2），從表2、圖2可以看出，日降雨量絕對誤差大于3.0 mm的日數(shù)頻率為0.8%，日降雨量絕對誤差0～0.5 mm的日數(shù)頻率最高，為90.4%，共331 d，日降雨量整體誤差較小，降雨量自動(dòng)觀測精度較高，符合規(guī)范要求。

圖2 六陳站逐日降雨量散點(diǎn)對比圖

表2 六陳站逐日降雨量絕對誤差頻率統(tǒng)計(jì)

5.1.2 月降雨量誤差分析

通過對人工與自動(dòng)觀測的雨量進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，得到月降雨總量及誤差統(tǒng)計(jì)（見表3）。由表3可知，月降雨總量最大絕對誤差為2020年6月的-10.0 mm，但相對誤差為-6.7%，差值比較小，月降雨總量最小絕對誤差為2020年11月的0.2 mm。年降雨量絕對誤差合計(jì)-14.1 mm，相對誤差合計(jì)-1.1%，符合規(guī)范要求。

表3 六陳站2020年月降雨總量及誤差統(tǒng)計(jì)表

5.2 蒸發(fā)量比測成果分析

5.2.1 日蒸發(fā)量分析

對2020年自動(dòng)監(jiān)測蒸發(fā)量與同步人工觀測蒸發(fā)量比測成果進(jìn)行日蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)及誤差分析，結(jié)果見表4。由表4可知，誤差不大于±0.3 mm天數(shù)占55.7%，誤差不大于±0.6 mm天數(shù)占78.7%，誤差不大于±1.0 mm天數(shù)占91.5%，根據(jù)《廣西水文流量泥沙蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)率定分析關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綱要（試行）》達(dá)標(biāo)值，其日蒸發(fā)量誤差≤±0.3 mm指標(biāo)不符合綱要要求。

表4 六陳站2020年自動(dòng)監(jiān)測與人工觀測日蒸發(fā)量絕對誤差統(tǒng)計(jì)

5.2.2 旬蒸發(fā)量分析

對2020年自動(dòng)監(jiān)測蒸發(fā)量與同步人工觀測蒸發(fā)量比測成果進(jìn)行旬蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)及誤差分析，結(jié)果見表5和圖3。由表5可知，大部分旬誤差均在±20%以內(nèi)，其中最大誤差為-42.9%，最小誤差為-1.0%，旬蒸發(fā)量相對誤差超過±20%的有5個(gè)。由圖3可知，旬蒸發(fā)量比測點(diǎn)據(jù)呈明顯帶狀分布，規(guī)律性較好，無異常突出點(diǎn)，且基本處于45°線兩側(cè)，經(jīng)計(jì)算其相關(guān)系數(shù)為0.972，兩者之間相關(guān)性好。這證明六陳站蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)旬蒸發(fā)量監(jiān)測精度總體是可靠的。

表5 六陳站2020年自動(dòng)監(jiān)測與人工觀測旬月蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計(jì)表

圖3 六陳站人工與自動(dòng)旬蒸發(fā)量相關(guān)圖

5.2.3 月蒸發(fā)量分析

月蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)及誤差分析結(jié)果見表5和圖4。由表5可知，月誤差均在±10%以內(nèi)，其中最大誤差為9.9%，最小誤差為0.2%；由圖4可知，月蒸發(fā)量比測點(diǎn)據(jù)呈明顯帶狀分布，規(guī)律性較好，無異常突出點(diǎn)，其各點(diǎn)據(jù)與45°線吻合度很好。

圖4 六陳站人工與自動(dòng)月蒸發(fā)量相關(guān)圖

5.2.4 年蒸發(fā)量分析

根據(jù)六陳站自動(dòng)監(jiān)測蒸發(fā)量與同步人工觀測蒸發(fā)量比測成果，統(tǒng)計(jì)2020年蒸發(fā)總量，采用兩種系數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較，系數(shù)1.1的年蒸發(fā)量誤差為-9.4%，而系數(shù)為1.15的誤差為-0.4%，說明年蒸發(fā)量按1.15的系數(shù)更合理。

6 結(jié)語

本文對蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)比測進(jìn)行分析，結(jié)果表明：YY-ZF-01A型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)在六陳站的觀測結(jié)果精度較高，符合《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL 630-2013）觀測技術(shù)要求，其成果可應(yīng)用于六陳站的資料整編，且該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)觀測自動(dòng)化。觀測期間，若自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)恢復(fù)人工觀測，以確保資料的完整性、準(zhǔn)確性。