FFZ-01Z型數字式水面蒸發器在丹江口水庫蒸發站的應用

張莉 楊鑫 張德佩

摘 要：水面蒸發是水循環過程中的一個重要環節，是水文學研究的一個重要課題。目前，常用的水面蒸發觀測方法是器測法，該方法需要人工定時觀測蒸發器內的水面高度變化、降水和溢流量，進而計算蒸發量。FFZ-01Z型數字式水面蒸發器是目前比較先進的自動觀測蒸發量的儀器設備。本文主要就FFZ-01Z型數字式水面蒸發器在丹江口水庫蒸發站收集的蒸發數據與人工觀測數據進行對比分析，探討FFZ-01Z型數字式水面蒸發器應用的可行性。

關鍵詞：水面蒸發;數字式水面蒸發器;對比分析

Abstract： Water surface evaporation is an important link in the process of water cycle， and it is an important subject of hydrology research. At present， the commonly used method of water surface evaporation observation is the instrument measurement method， which needs to manually observe the change of water surface height， precipitation and overflow flow in the evaporator on time， and then calculate the evaporation amount. FFZ-01Z digital surface evaporator is a relatively advanced automatic evaporation observation equipment at present. In this paper， the evaporation data collected by FFZ-01Z digital surface evaporator in Danjiangkou reservoir evaporation station and the artificial observation data were compared and analyzed， and the application feasibility of FFZ-01Z digital water surface evaporator was discussed.

Keywords： evaporation on water surface; digital surface evaporator; comparative analysis

蒸發是水由液態或固態變成氣態的過程，是水文循環過程中的一個重要環節[1]。水面蒸發是水庫、湖泊等水體水量損失的主要部分，也是研究其他蒸發的基本參證資料。水面蒸發的研究對流域水量平衡、水資源評價、水利工程規劃設計及有效利用水資源等都有重要意義。

1 測站概況

1.1 測站簡介

丹江口水庫蒸發站設立于2013年12月，位于湖北省丹江口市丹江口大壩左岸。該站的設立是為了探求蒸發器折算系數、水面蒸發經驗公式及氣象因子與蒸發量的關系等，同時也為水資源研究、降雨徑流預報[2]以及丹江口水利樞紐的調度運行和南水北調中線工程運行提供水面蒸發及其附屬項目的觀測數據。為了提高工作效率，減輕工作強度，丹江口水庫蒸發站在建站時就采購安裝了FFZ-01Z型數字式水面蒸發器。

1.2 蒸發觀測場介紹

蒸發觀測場位于丹江口大壩左岸，距丹江口大壩主壩約2 km。蒸發場址平坦空曠，氣流暢通，離漢江水體近，周圍障礙物遮擋率滿足規范要求[3]，占地約1 600 m2，是全長江流域乃至全國最大的蒸發觀測場。蒸發場安裝有蒸發、降水、氣象等設施，包括蒸發自記設備兩套（E-601B型蒸發器和20 m2蒸發池的FFZ-01Z型數字水面蒸發器）、風速風向儀、溫濕傳感器、氣壓計、土壤濕度儀、日照輻射儀、地溫計、雨量器等。

2 FFZ-01Z型數字式水面蒸發器簡介

FFZ-01Z型數字式水面蒸發器是由徐州偉思水務科技有限公司依據原中華人民共和國水利電力部《水面蒸發觀測規范》（SD 265—88）和中國氣象局2003年版《地面氣象觀測規范》相關要求制造的，用于自動觀測水面蒸發過程。

FFZ-01Z型數字式水面蒸發系統由FFZ-01Z型數字水面蒸發器、JFZ-01Z型數字雨量計、溢流桶、自動補水裝置、采集控制器、上位機系統、電源保證系統等組成。該蒸發系統以蒸發計、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、溢流過程信息，自動控制蒸發桶、溢流桶補、排水過程。FFZ-01Z型數字式水面蒸發器通過RS485口與設備室電腦連接，可實時采集數據，上位機記錄顯示蒸發傳感器值、蒸發累加值、雨量計值、雨量累加值、溢流傳感器值、溢流量累加值，并且能夠顯示各種狀態。采用Access數據庫進行數據處理和實現報表打印。通過上位機還可以修改各設備通信地址，標定時間，標定日分界。自動蒸發溢流量精度0.01 mm，自動雨量分辨率0.1 mm，自動蒸發量記錄精度0.1 mm，蒸發感量0.1 mm。

3 比測實驗

比測情況將人工觀測數據與E601B型蒸發器、FFZ-01Z型數字式水面蒸發器自記數據進行對比，驗證儀器自動采集數據的可靠性。每天早上08：00進行人工觀測，同時記錄人工與自記的差值。每天不定時對蒸發場進行巡查，檢查自記儀器的運行狀況，發現問題及時排除，并記錄問題發生的時間、緣由、解決問題的時間，保證數據的準確性。

將儀器記錄的自記數據與人工觀測的數據按日、月蒸發量進行相關分析、誤差分析，以確定儀器的可靠性及投產使用的可行性。

4 資料分析

收集2019年1月至8月E601B型蒸發器和20 m2蒸發池的FFZ-01Z型數字蒸發器記錄的數據，并與人工觀測數據進行對比分析。經統計：排除冰凍、儀器故障，E601B型蒸發器共收集211組數據，20 m2蒸發池的FFZ-01Z型數字水面蒸發器共收集214組數據

4.1 粗差分析

分析蒸發觀測的樣本數據前，要先剔除粗大誤差。剔除明顯異常的觀測數據，可以降低對整個統計結果的偏態影響，保證統計結果的可靠性。本報告去除粗差的方法采用[3σ]準則。[3σ]準則又稱為拉依達準則，它是先假設一組檢測數據只含有隨機誤差，對其進行計算處理得到標準偏差，按一定概率確定一個區間，認為凡超過這個區間的誤差，就不屬于隨機誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數據應予以剔除。[3σ]準則適用于有多組數據時。具體方法為：首先根據全部數據計算[σ]，逐個檢查對比差值，若有[Xi-X>3σ]時，剔除其中一個最大者，再按計算標準差的公式計算新的[σ]，若還有差值[Xi-X>3σ]，再剔除其中的一個最大者，又計算新的 [σ]，如此循環，直到沒有數據需要剔除為止。粗差率的計算公式為：

4.2 日蒸發數據對比分析

將E601B型蒸發器自動收集的211組日蒸發數據和20 m2蒸發池的FFZ-01Z型數字水面蒸發器自動收集的214組日蒸發數據與其對應的人工觀測日蒸發數據進行對比分析，沒有超過1 mm的絕對誤差。具體結果見表1、2。

4.3 月蒸發數據對比分析

對收集到的8個月的月蒸發總量資料進行對比分析：E601B型蒸發器的絕對誤差在0～1.7 mm（見表3）;20 m?蒸發池的絕對誤差在0.1～3.7 mm（見表4）。

對自記數據和人工觀測數據進行相關分析：E601B型蒸發器的相關系數為0.999 9（見圖3）;20 m?蒸發池的相關系數為0.999 1（見圖4），說明自記與人工觀測數據的相關性較強。

5 誤差分析

5.1 日觀測值誤差評定

由于現行蒸發規范沒有對蒸發觀測不確定度進行說明，本次評定參照《水位觀測標準》（GB/T 50138—2010）中的附錄E，對FFZ-01Z型數字水面蒸發器與人工蒸發數據進行不確定度評定。

通過計算得出：無論是E601B蒸發器還是20 m?蒸發池，計算的系統不確定度[Xy"]、隨機不確定度[Xy']、綜合不確定度[XZ]，都低于精度控制的0.3。說明該自記儀器的日蒸發量數據具有較高的可靠性，精度滿足要求。

5.2 月觀觀測值誤差評定

2019年1—8月E601B蒸發器的自記月蒸發值與人工觀測月蒸發值平均誤差為-0.90%，自記值偏小于人工觀測值;20 m2蒸發池的自記月蒸發值與人工觀測月蒸發值平均誤差為0.48%，自記值偏大于人工觀測值。

在8個月的數據對比中：E601B型蒸發器的誤差最大為-1.80%，最小為0;20 m2蒸發池的誤差最大為7.10%，最小為0.10%。

6 結語

通過對比分析，自記數據與人工觀測數據關系良好，兩組數據的相關性都十分接近于1.0，FFZ-01Z型數字式水面蒸發器可以實現自動監測，精度滿足要求。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.水面蒸發觀測規范：SL 630—2013[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2]中華人民共和國水利部.降水量觀測規范：SL 21—2006[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]中華人民共和國水利部.水文基礎設施建設及技術裝備標準：SL 276—2002[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]中國氣象局.地面氣象觀測規范 第10部分：蒸發觀測：QX/T 54—2007[S].北京：氣象出版社，2007.

[5]中國氣象局.地面氣象觀測規范 第8部分：降水觀測：QX/T 52—2007[S].北京：氣象出版社，2007.