王家壩站自動蒸發(fā)站數(shù)據(jù)分析研究

李 漭

（安徽省水文局王家壩水文站，安徽 阜陽 236312）

水面蒸發(fā)是水文站重要觀測項目之一[1]，近年來，水利部水文司不斷加快推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)，水文測驗(yàn)設(shè)備發(fā)展取得了長足的進(jìn)步[2]。安徽省近年來開展了22個以典型小流域和典型監(jiān)測點(diǎn)地面定位觀測為主要內(nèi)容的不同侵蝕區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測點(diǎn)，而阜陽市王家壩水文站屬于其中之一，監(jiān)測內(nèi)容主要包括氣象因子（降水、蒸發(fā)、溫度、風(fēng)力風(fēng)向等）、徑流、泥沙、水體擾動狀況等。觀測方面已從人為因素為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢x器設(shè)備性能為主，觀測員只需保障設(shè)備維護(hù)和數(shù)據(jù)質(zhì)量正常使用即可。而蒸發(fā)數(shù)據(jù)對我國氣候變化提供數(shù)據(jù)依據(jù)，有著重大的參考價值。FFH100 型自動蒸發(fā)器也具有性能好準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，但是其自動數(shù)據(jù)觀測異常處理還是一個比較復(fù)雜的過程，因受干擾較多，數(shù)據(jù)敏感性強(qiáng)，但是由于人工進(jìn)行比對，能夠很直觀的發(fā)現(xiàn)其疑誤記錄，從而進(jìn)行篩選，做好蒸發(fā)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。

1 研究背景

劉小飛等根據(jù)馬氏瓶工作原理設(shè)計了一種恒水位蒸發(fā)皿裝置，可以用該裝置的水面蒸發(fā)量來指導(dǎo)農(nóng)田灌溉[3]，趙鈺等探究了FFH100 型自動蒸發(fā)系統(tǒng)在長清水文站的應(yīng)用并對觀測資料進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)自動蒸發(fā)系統(tǒng)在大雨期間蒸發(fā)受到的影響較大且無法解決冰期測量要求，無雨或小雨條件下自動蒸發(fā)系統(tǒng)可代替人工觀測[4]，周佳華等探究了FFZ-01Z自動蒸發(fā)站在石梁河水庫水文站的應(yīng)用分析，發(fā)現(xiàn)可對雨量計和水位計進(jìn)行改造或選用更高精度設(shè)備以提高自動蒸發(fā)站整體觀測精度[5]，劉衛(wèi)根等介紹了FFZ-01型自動水面蒸發(fā)站的系統(tǒng)組成和工作原理并采用差值分析法和一致率分析法對萍鄉(xiāng)水文站2019年4 月至2020 年8 月自動監(jiān)測和人工觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析，發(fā)現(xiàn)自動蒸發(fā)觀測精度較高且無雨日觀測精度高于有雨日，同時非汛期比對觀測一致率高于汛期[6]。

已有研究針對FFZ-01Z自動蒸發(fā)站和FFH100 型自動蒸發(fā)系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)分析，但測站地理位置與周邊環(huán)境對蒸發(fā)結(jié)果觀測影響較大。有鑒于此，本研究擬分析FFH100 型自動蒸發(fā)系統(tǒng)長系列數(shù)據(jù)，探究其與人工蒸發(fā)測量的關(guān)系，以期改進(jìn)FFH100 型自動蒸發(fā)系統(tǒng)的測驗(yàn)精度，嘗試采用自動蒸發(fā)系統(tǒng)替代人工觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)而降低人工觀測誤差，提升水文測驗(yàn)工作效率，加速推進(jìn)水文現(xiàn)代化進(jìn)程。

2 材料與方法

2.1 測站簡介

王家壩水文站設(shè)立于20 世紀(jì)50 年代初，坐落在安徽省阜陽市阜南縣王家壩鎮(zhèn)王家壩村。位于淮河中游豫皖兩省交界處，是淮河干流重要控制站，屬暖溫帶向亞熱帶過渡季風(fēng)氣候。因其特殊的地理位置和復(fù)雜多變的水流特性。屬國家重點(diǎn)水文站，也是全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)建設(shè)二期工程安徽省水土流失監(jiān)測點(diǎn)之一。王家壩水文站占地面積約800 m2，觀測場內(nèi)設(shè)立集蒸發(fā)、降水、氣溫、土壤墑情、風(fēng)力風(fēng)速等觀測于一體綜合實(shí)驗(yàn)場所，常年有人駐守測驗(yàn)并具有遠(yuǎn)程報送功能，是個多方面的控制站。

2.2 蒸發(fā)觀測場簡介

蒸發(fā)觀測場位于王家壩水文站站內(nèi)，占地面積約100 m2，毗鄰淮河，枯水期距淮河水體僅230 m，四周建筑、樹木等遮蔽物較少，具有良好的觀測條件。場內(nèi)安裝有FFH100 型自動蒸發(fā)器和E601 型蒸發(fā)桶及配套的風(fēng)速風(fēng)向傳感器、自記雨量器、氣溫計等設(shè)施，同時安裝有空氣溫濕度傳感器和土壤墑情傳感器等RTU自記設(shè)備。

2.3 自動蒸發(fā)器簡介

FFH100 型自動蒸發(fā)器主要由E601 B蒸發(fā)桶、液位測井、0.1 mm分辨率專用雨量計、數(shù)據(jù)采集終端RTU、通信模塊DTU、智能測控器、供電系統(tǒng)等組成。E601蒸發(fā)桶用于水面蒸發(fā)，液位測井內(nèi)部安裝磁致伸縮傳感器，分辨率可達(dá)0.024 mm，專用雨量計用于監(jiān)測降水量，數(shù)據(jù)采集終端在測控器的控制下讀取各傳感器數(shù)據(jù)，計算蒸發(fā)量，通信模塊DTU在測控器控制下每天定時上報蒸發(fā)數(shù)據(jù)，測控器控制各組件定時采集蒸發(fā)桶的液位和雨量計的降雨量，能根據(jù)蒸發(fā)桶的液位自動控制補(bǔ)水閥給蒸發(fā)桶補(bǔ)水，能在雨期控制打開溢流閥進(jìn)行溢流。

FFH100型自動蒸發(fā)器夠高精度監(jiān)測蒸發(fā)量，其蒸發(fā)量精度為0.1 mm。同時可用于無人值守的蒸發(fā)站，能自動記錄每日蒸發(fā)量與降雨量數(shù)據(jù)，并支持無線遠(yuǎn)傳和發(fā)報。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 自動蒸發(fā)站與人工比測

受王家壩水土保持監(jiān)測站地形限制，蒸發(fā)場內(nèi)僅安裝一套自動蒸發(fā)站，人工觀測蒸發(fā)直接采用自動蒸發(fā)器配套的E601B型蒸發(fā)器，每天08∶00觀測。FFH100 自動蒸發(fā)站會自動計算降雨量，在沒有出現(xiàn)自動溢流或自動補(bǔ)水時，非冰期日蒸發(fā)量應(yīng)按下列方法計算：

式中：E為日蒸發(fā)量，mm；P為日降水量，mm；h1、h2為上次（前一日）和本次（當(dāng)日）的蒸發(fā)器水面高度，mm；1.1為該型蒸發(fā)器面積與E601B蒸發(fā)器面積的比例系數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

收集王家壩水土保持監(jiān)測站FFH100型自動蒸發(fā)器遙測數(shù)據(jù)，并與人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。排除冰凍與儀器故障和其他故障期的觀測數(shù)據(jù)，F(xiàn)FH100型自動蒸發(fā)器數(shù)據(jù)147組，人工觀測數(shù)據(jù)214組。排除夜間溢流與補(bǔ)水造成較大誤差的數(shù)據(jù)后保留137組數(shù)據(jù)，其月度人工蒸發(fā)與遙測蒸發(fā)對比見圖1。

圖1 月度人工蒸發(fā)與遙測蒸發(fā)對比

將人工蒸發(fā)量與遙測蒸發(fā)量按照旬處理，得到公式，其相關(guān)關(guān)系系數(shù)（見圖2）。

圖2 旬人工蒸發(fā)與遙測蒸發(fā)對比

人工蒸發(fā)量與遙測蒸發(fā)量按照月處理，并與上述旬度數(shù)據(jù)匯總，得到公式，其相關(guān)關(guān)系系數(shù)（見圖3）。

圖3 旬月人工蒸發(fā)與遙測蒸發(fā)對比

3.3 誤差分析

（1）因蒸發(fā)觀測受場地影響，該站人工觀測時直接觀測FFH100 型自動蒸發(fā)站配套的E601 型蒸發(fā)器，觀測結(jié)果受自動蒸發(fā)器補(bǔ)水和溢流影響，一定程度上影響觀測準(zhǔn)確度。

（2）FFH100 型自動蒸發(fā)站設(shè)計為溢流會發(fā)生在夜里，溢流時間并不固定，且人工無法準(zhǔn)確測量溢流后的液位，此時自動觀測數(shù)據(jù)會存在誤差。同時其補(bǔ)水時間也不固定，且有概率發(fā)生在夜間，致使其補(bǔ)水量難以人工觀測和校測。

（3）因蒸發(fā)器水面與大氣接觸，水面受外界環(huán)境影響大，不但會隨時間積累來自大氣的漂浮物，而且會受小動物活動影響積累雜物，需要定期補(bǔ)換水。在人工觀測E601 型蒸發(fā)器蒸發(fā)數(shù)據(jù)時，會因水面漂浮物等產(chǎn)生觀測誤差，同時在更換水體和清理水中雜時也會對自動蒸發(fā)器觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

（4）本研究蒸發(fā)量觀測數(shù)據(jù)總量依然偏少，通過延長觀測時間并采用跨年數(shù)據(jù)以獲取長系列數(shù)據(jù)，既有利于積累對比觀測數(shù)據(jù)，也有利于完成自動蒸發(fā)器的校測和微調(diào)。

4 結(jié)論

（1）FFH100 型自動蒸發(fā)站觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)存在較高相關(guān)關(guān)系，其旬度觀測數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.9059，匯總月度與旬度數(shù)據(jù)時相關(guān)系數(shù)為0.9768。

（2）可根據(jù)場地情況額外增加一套人工補(bǔ)水的E601 型蒸發(fā)器，消除自動蒸發(fā)器對人工觀測數(shù)據(jù)的影響，同時也有利于獲取更多觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析。

（3）FFH100型自動蒸發(fā)站觀測時需要考慮自動溢流與自動補(bǔ)水對蒸發(fā)觀測的影響，需要在統(tǒng)計數(shù)據(jù)時進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。

（4）FFH100型自動蒸發(fā)站仍有改進(jìn)的空間，針對該型自動蒸發(fā)站夜間補(bǔ)水和溢流的特性，可以在管道中安裝流量計量設(shè)備計算溢流量與補(bǔ)水量，進(jìn)一步提高蒸發(fā)量計量與觀測精度。