数字水面蒸发站在容县水文站的应用分析

2020-03-11梁智杰

广西水利水电 2020年1期

梁智杰

（玉林水文中心容县水文中心站，广西容县 537500）

1 测站基本概况

容县水文站建于1951年11月，地处广西容县容城镇容厢村，是国家基本水文站、北流河中游唯一控制站，集水面积2831 km2，辖区多年平均年降水量1 616.6 mm，由东南向西北递减，年际变化不均匀。测验项目有降水、水位、流量、水温、岸温、蒸发、水质，目前已实现雨量、水位、流量、岸温的在线监测。一直以来，蒸发量的监测采取每日一段制（每日8时）人工观测。为推进水文监测要素全自动化，容县水文站于2017年4月安装了YY-ZF-01A型数字水面蒸发站，并与E601型人工蒸发皿进行对比观测分析。

2 系统结构组成、原理及计算方法

2.1 组成部分

YY-ZF-01A型数字式水面蒸发站系统（以下称“蒸发站”或“系统”）由KYDM-F型数字水面蒸发计（以下称蒸发计）、JD01 型数字雨量计（以下称雨量计）、自动补水装置、采集控制器（以下称采集器）、上位机系统、供电系统组成（见图1）。

图1

2.2 工作原理

本蒸发站系统以蒸发计、雨量计、溢流桶为基本观测工具，以采集器自动采集、处理、显示蒸发、降水、自动控制蒸发桶、排水过程。采集器通过RS485/232 通信接口分别与上位机系统、数传通信机（RTU）连接，利用系统配套的应用软件可以实现水面蒸发过程信息的远程监测及资料整编入库。

蒸发桶水位高度应保持在水位标志线上。无降水日时，采集器自动采集蒸发桶内水面高度变化计算蒸发量。每当蒸发桶内水面高度降至约定值时（水位标志线以下10 mm，终端机设置中SYS Config1 的AW 为水位标志线），采集器在观测日分界时刻（水文分界日为8：00，气象分界日为20：00）控制补水泵工作，给蒸发桶补水，使桶中水位恢复至水位标志线高度，然后，以补水后稳定水面的高度作为起测点，测量下一时段的蒸发量。

在降水日，当蒸发桶水位升高至约定值（水位标志线以上10 mm）时，采集器驱动电磁阀门关闭，记录此时的水面高度，溢流泵工作排出测井中的水，当测井中的水面下降到一定高度时，溢流泵停止工作，采集器记录此时的水面高度，此时记录器计算此次排水的高度差，从而根据测井的横截面积计算出此次的溢流量，记录器再打开电磁阀，等待下次溢流。

2.3 计算方法及过程

依据《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）及国家气象局《地面气象观测规范》（GB/T35237-2017）规定，蒸发量的计算公式为：蒸发量=（蒸发桶水位起算值-蒸发桶水位测量值）×1.1+降水量-溢流量。可简化表示为：QF=（W0-Wt）+Qj-Qy，式中：QF为水面蒸发量，mm；Wt为测量时刻t的蒸发桶水位，mm；W0为起算时刻的蒸发桶水位，mm；Wt、W0值由YY-ZF-01A 型数字水面蒸发计自动测量；Qj为被测时段内的降水量，由YY-ZF-01A 型数字雨量计提供，mm；Qy为被测时段内的溢流量，由测井自动测量，mm。

3 监测资料对比分析情况

采取人工观测的方式计算出每日蒸发量与蒸发站系统所计算出每日蒸发量进行对比，通过汇总分别对两者相对应日期的日蒸发量、旬蒸发量、月蒸发量、年蒸发量进行对比分析，从而探讨YY-ZF-01A型数字水面蒸发站在容县水文站的实用性。与此同时，也通过人工观测降雨量与该蒸发站所监测的降雨量进行对比，研究两者降雨相关性。

3.1 降雨量资料分析

仪器自2017年4月安装后，仪器设备运行相对正常，监测资料连续稳定，降雨量资料采用2018年1月～2019年9月的人工观测与自动监测同步观测的降雨量资料进行分析。通过数据分析统计，2018年1月～2019年9月期间，降雨量误差大于±4%有129 d，占总降雨天数的42.0%；自动监测2018年1月～2019年9月期间的总降雨量为3 082.3 mm，比人工观测的年降雨量3 269.6 偏少5.73%。人工观测与自动监测的降雨量误差略偏大。

将人工观测的日雨量与自动监测的日雨量资料进行绘制散点图（见图2）。由图1可见，人工观测与自动监测的雨量资料点子密集，呈直线趋势，建立人工观测降雨量x与自动监测降雨量y的回归直线方程，2018年1月～2019年9月期间，两者的相关方程为y=1.0 593x+0.0 935，相关系数为R2=0.9 893，说明两种观测方式取得的降雨量资料点子存在相关关系，且关系密切。

图2 容县站自动蒸发站雨量与人工观测雨量相关性图

3.2 蒸发量对比分析

3.2.1 蒸发量对比分析过程

采用2018年1月～2019年9月自动监测与人工观测蒸发量资料进行对比分析。在汇总数据过程中发现，2018年共出现20 d自动蒸发数值为0情况，共出现10 d 冒大数情况（日蒸发量大于7 mm 认定为冒大数），其中6月份出现了8 d冒大数及1 d数值为0；2019年1～9月出现23 d数值为0，7 d出现冒大数情况，其中4月出现故障较频繁，共13 d数值为0，两天冒大数。出现以上原因主要是2018年的6月以后电磁阀、补水阀门出现漏水、渗水情况，致使蒸发桶内经常性的自动补水以及排水，从而造成自动蒸发站所监测的蒸发数据明显变大或者造成程序计算紊乱作0 处理，另外一个原因是由于降蒸一体化接收查询软件的不成熟，有时会出现数据计算错误的现象。针对以上原因，2019年4月份联系厂家更换了新的电磁阀以及补水阀门。以上出现冒大数以及为自动蒸发为0 的数值，为避免对分析过程造成影响，在对比过程中，人工观测与自动蒸发站的日蒸发量均按0处理。

经剔除异常数值后的蒸发数据对比分析见图3和表1。

表1 容县水文站自动蒸发站监测与人工监测日、旬、月、累计蒸发量对比分析误差表

3.2.2 蒸发量对比分析结果

通过图2可发现，2018年 1月～2019年 9月期间蒸发站与人工观测的的日蒸发量两者的相关方程为y=0.8 375x+0.5 253，相关系数为R2=0.7 212，说明两者相关关系较差，日蒸发量的对比相对误差较大；通过表1、表2、表3 发现，相对误差小于或等于5%的日、旬、月蒸发量占比分别为14.01%、25.40%、52.38%，年蒸发量相对误差为2.28%及2018年1月～2019年总蒸发量相对误差2.03%。对比可明显发现，2018年1月～2019年9月期间，自动蒸发站监测与人工监测的月、年累计蒸发量相对误差逐步减小，YY-ZF-01A型数字水面蒸发站的月蒸发量与年蒸发量可用于资料整编，满足规范要求。