數字水面蒸發站在容縣水文站的應用分析

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、水質，目前已實現雨量、水位、流量、岸溫的在線監測。一直以來，蒸發量的監測采取每日一段制（每日8時）人工觀測。為推進水文監測要素全自動化，容縣水文站于2017年4月安裝了YY-ZF-01A型數字水面蒸發站，并與E601型人工蒸發皿進行對比觀測分析。

2 系統結構組成、原理及計算方法

2.1 組成部分

YY-ZF-01A型數字式水面蒸發站系統（以下稱“蒸發站”或“系統”）由KYDM-F型數字水面蒸發計（以下稱蒸發計）、JD01 型數字雨量計（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、供電系統組成（見圖1）。

圖1

2.2 工作原理

本蒸發站系統以蒸發計、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、降水、自動控制蒸發桶、排水過程。采集器通過RS485/232 通信接口分別與上位機系統、數傳通信機（RTU）連接，利用系統配套的應用軟件可以實現水面蒸發過程信息的遠程監測及資料整編入庫。

蒸發桶水位高度應保持在水位標志線上。無降水日時，采集器自動采集蒸發桶內水面高度變化計算蒸發量。每當蒸發桶內水面高度降至約定值時（水位標志線以下10 mm，終端機設置中SYS Config1 的AW 為水位標志線），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，給蒸發桶補水，使桶中水位恢復至水位標志線高度，然后，以補水后穩定水面的高度作為起測點，測量下一時段的蒸發量。

在降水日，當蒸發桶水位升高至約定值（水位標志線以上10 mm）時，采集器驅動電磁閥門關閉，記錄此時的水面高度，溢流泵工作排出測井中的水，當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《水面蒸發觀測規范》（SL630-2013）及國家氣象局《地面氣象觀測規范》（GB/T35237-2017）規定，蒸發量的計算公式為：蒸發量=（蒸發桶水位起算值-蒸發桶水位測量值）×1.1+降水量-溢流量。可簡化表示為：QF=（W0-Wt）+Qj-Qy，式中：QF為水面蒸發量，mm；Wt為測量時刻t的蒸發桶水位，mm；W0為起算時刻的蒸發桶水位，mm；Wt、W0值由YY-ZF-01A 型數字水面蒸發計自動測量；Qj為被測時段內的降水量，由YY-ZF-01A 型數字雨量計提供，mm；Qy為被測時段內的溢流量，由測井自動測量，mm。

3 監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量與蒸發站系統所計算出每日蒸發量進行對比，通過匯總分別對兩者相對應日期的日蒸發量、旬蒸發量、月蒸發量、年蒸發量進行對比分析，從而探討YY-ZF-01A型數字水面蒸發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站所監測的降雨量進行對比，研究兩者降雨相關性。

3.1 降雨量資料分析

儀器自2017年4月安裝后，儀器設備運行相對正常，監測資料連續穩定，降雨量資料采用2018年1月～2019年9月的人工觀測與自動監測同步觀測的降雨量資料進行分析。通過數據分析統計，2018年1月～2019年9月期間，降雨量誤差大于±4%有129 d，占總降雨天數的42.0%；自動監測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%。人工觀測與自動監測的降雨量誤差略偏大。

將人工觀測的日雨量與自動監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，兩者的相關方程為y=1.0 593x+0.0 935，相關系數為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關系，且關系密切。

圖2 容縣站自動蒸發站雨量與人工觀測雨量相關性圖

3.2 蒸發量對比分析

3.2.1 蒸發量對比分析過程

采用2018年1月～2019年9月自動監測與人工觀測蒸發量資料進行對比分析。在匯總數據過程中發現，2018年共出現20 d自動蒸發數值為0情況，共出現10 d 冒大數情況（日蒸發量大于7 mm 認定為冒大數），其中6月份出現了8 d冒大數及1 d數值為0；2019年1～9月出現23 d數值為0，7 d出現冒大數情況，其中4月出現故障較頻繁，共13 d數值為0，兩天冒大數。出現以上原因主要是2018年的6月以后電磁閥、補水閥門出現漏水、滲水情況，致使蒸發桶內經常性的自動補水以及排水，從而造成自動蒸發站所監測的蒸發數據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，有時會出現數據計算錯誤的現象。針對以上原因，2019年4月份聯系廠家更換了新的電磁閥以及補水閥門。以上出現冒大數以及為自動蒸發為0 的數值，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站的日蒸發量均按0處理。

經剔除異常數值后的蒸發數據對比分析見圖3和表1。

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

3.2.2 蒸發量對比分析結果

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

4 結語

隨著水文現代化的推進，水文巡測模式的改變，水文監測全自動化勢在必行，自動蒸發站在線監測系統也在逐步完善，新儀器設備的應用也會逐步推開。

從本次使用YY-ZF-01A 型數字水面蒸發站與人工觀測的月蒸發量以及年蒸發量對比分析數據來看，該蒸發站在容縣水文站具有較強的實用性，值得推廣應用。