FFZ-01Z自動蒸發站在石梁河水庫水文站的應用分析

周佳華，朱佳奕，張巧麗

(1.江蘇省水文水資源勘測局連云港分局，江蘇 連云港 222000；2.江蘇鴻源招標代理有限公司，南京 221000)

0 前 言

石梁河水庫水文站位于淮河流域沭河水系新沭河中游，站址位于江蘇省東海縣石梁河鎮石梁河水庫，自然地理坐標E118°52′，N34°46′。該站主要監測水位、流量、降水量、含沙量、水溫、水質等水文要素。水文站蒸發觀測設備為E601型蒸發器，每天8:00定時人工觀測方式，為推進水文測報方式改革，提升蒸發量觀測的現代化水平，江蘇省水文水資源勘測局連云港分局于2020年在該站安裝1套FFZ-01Z自動蒸發站系統，以實現蒸發量的自動觀測、存儲及遠程傳輸，完成蒸發量的在線實時監測。

本次研究通過對2021年2—6月FFZ-01Z自動蒸發站與E601水面蒸發器的日蒸發量進行比測，得到150d的自動監測日蒸發量與人工觀測日蒸發量比測成果，并進行誤差分析，找出差異原因，對下一步比測工作提出合理化建議。

1 自動蒸發站組成及原理

1.1 自動蒸發站組成

FFZ-01Z型自動水面蒸發站依據中華人民共和國水利部《水面蒸發觀測規范》(SL603-2013)標準制造，適用于無冰期自動觀測水面蒸發過程。該蒸發系統以自動蒸發計和自計雨量計為基本觀測單元，通過傳感器自動采集蒸發皿和自計雨量計儲水桶內的液面變化，通過電磁泵自動控制蒸發皿溢流和排水過程。傳感器采集數據后經RS485/232通信接口上傳至數傳通信機(RTU)，原始數據經數傳通信機處理獲得蒸發量、雨量、溢流量、加水量等成果數據，再利用GPRS/CDMA傳輸信道將數據傳輸至監測中心，通過監測中心采集平臺寫入遙測數據庫。石梁河水庫水文站觀測場平面布置示意圖，見圖1；FFZ-01Z型自動水面蒸發站系統組成，見圖2。

圖1 石梁河水庫水文站觀測場平面布置示意圖

圖2 FFZ-01Z型自動水面蒸發站系統組成

1.2 自動蒸發站工作原理

根據《水面蒸發規范》(SL630-2013)，日蒸發量按照公式以下公式計算：

E=P-∑h取-∑h溢+∑h加+(h1-h2)

(1)

式中：E為日蒸發量，mm；P為日降水量，mm；∑h取，∑h加為前一日8時—當日8時各次取出或加入水量之合，mm；∑h溢為 前一日8時—當日8時各次溢流水量之合，mm；h1，h2為上次(前一日)和本次(當日)的蒸發器水面高度，mm。

FFZ-01Z型自動水面蒸發站中日降水量采用JFZ—01型數字雨量計計量，h1，h2由與蒸發計相連靜水桶內浮子水位計自動測量得出。∑h溢，∑h加通過對加水、排水期間進水桶內液位變化進行計量得出。自動蒸發站運行期間如需人工取水或加水需進入設備維護狀態，影響當日蒸發量自動觀測。

2 誤差分析

2.1 日蒸發量誤差分析

通過對比2021年2—6月FFZ-01Z型自動水面蒸發站與人工觀測的日蒸發量，兩者相應關系較好，自動蒸發站觀測結果總體略<人工觀測值，石梁河水庫水文站自動站與人工日蒸發量對比圖，見圖3。比測期間最大誤差-1.6mm，最小誤差0.0mm，平均誤差-0.16mm，誤差合計-23.3mm，樣本誤差呈正態分布。絕對誤差≤0.2mm的樣本個數占總樣本量的44%，絕對誤差≤0.4mm的樣本個數占總樣本量的69%。石梁河水庫水文站自動與人工日蒸發量誤差分布圖，見圖4。

2.2 月蒸發量誤差分析

2021年2—6月石梁河水庫水文站自動蒸發站日蒸發量累計377.4mm，人工觀測蒸發量累計400.7mm，日蒸發量誤差合計-23.3mm，日蒸發量絕對誤差合計63.3mm。自動蒸發站觀測最大日蒸發量發生于5月29日，蒸發量7.4mm，最小日蒸發量發生于4月3日，蒸發量0.0mm；人工觀測最大日蒸發量發生于6月8日，蒸發量7.6mm，最小日蒸發量發生于2月15日，蒸發量0.2mm。4月自動蒸發站與人工觀測相應關系最好，最大、最小日蒸發量發生日期相同，且誤差在0.2mm以內。5月自動蒸發站觀測誤差較大，誤差合計-14.4mm，絕對誤差合計17mm。月最大日蒸發量觀測誤差相對較小，3—6月自動站與人工觀測發生日期均一致。月最小日蒸發量觀測誤差相對較大，除4月其余月份發生日期均不相應。

圖3 石梁河水庫水文站自動站與人工日蒸發量對比圖

圖4 石梁河水庫水文站自動與人工日蒸發量誤差分布圖

2.3 蒸發量誤差與降水量相關性分析

比測期內無雨日112d，有雨日38d，根據表2數據對比分析，自動蒸發站觀測誤差與降雨無明顯相應關系，有雨日、無雨日誤差總體相似。2021年2—6月日蒸發量月統計表，見表1；有、無雨日蒸發量誤差對比表，見表2。

表1 2021年2—6月日蒸發量月統計表

表2 有、無雨日蒸發量誤差對比表

3 誤差成因分析

1)自動蒸發站在不同月、不同天氣條件下誤差范圍基本相似，但月最大蒸發量觀測誤差明顯小于月最小蒸發量，由此可以推測自動蒸發站觀測誤差主要受水位計、雨量計等設備本身觀測精度影響。

2)自動蒸發站適用于無冰期蒸發量觀測，2月1—5日，自動蒸發站與人工觀測誤差較大，由于該時間內蒸發皿結冰，人工觀測為破冰觀測。

4 結論與建議

1)FFZ-01Z型自動水面蒸發站自動化程度較高，可做到無人值守，自動站觀測值與人工觀測值相應關系總體較好，誤差呈正態分布，設備具有一定實用價值。

2)根據比測分析自動蒸發站觀測誤差主要受設備本身觀測精度影響。可對雨量計、水位計進行改造或選用更高精度設備以提高自動蒸發站整體觀測精度。

3)由于比測期間僅發生1次暴雨量級降水過程，暴雨、特大暴雨期間比測資料累計不足，需繼續積累資料分析降雨對蒸發量自動觀測的影響。