E601 型蒸發(fā)站在群庫勒水文站的應(yīng)用探討

徐 偉

（新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

1 E601型蒸發(fā)站工作原理

E601 型蒸發(fā)站系統(tǒng)主要由浮子式數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)、補(bǔ)水器、采控器、上位機(jī)及太陽能供電等部分構(gòu)成，其中，基本觀測工具主要是蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)和溢流桶，主要進(jìn)行蒸發(fā)量信息的采集與處理，蒸發(fā)、降水及溢流等過程信息的顯示，蒸發(fā)桶及排水過程的測控等。通過RS485/232 通信接口和上位機(jī)相連的采集器主要借助系統(tǒng)軟件進(jìn)行水面蒸發(fā)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息收集及資料整編。

在非降水日，采集器通過采集蒸發(fā)桶內(nèi)的水面高度變動情況信息進(jìn)行蒸發(fā)量的相關(guān)計(jì)算，當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面線降至所設(shè)定標(biāo)線以下1.5 cm 時(shí)，采集器便會在8：00 的觀測日分界點(diǎn)控制補(bǔ)水泵自動向蒸發(fā)桶補(bǔ)水，待桶內(nèi)水位上升至設(shè)定標(biāo)線之上2.0 cm 后，重新以補(bǔ)水后的水面線為起測點(diǎn)，進(jìn)行蒸發(fā)量觀測。

在降水日，當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面線升至設(shè)定標(biāo)線之上2.5 cm時(shí)，溢流閥便會在采集儀的驅(qū)動下全部開啟后進(jìn)行人工排水；而當(dāng)水位線降至設(shè)定標(biāo)線以下1.5 cm 時(shí)溢流閥閉合，排水過程停止。排水前后及排水過程中的水位、雨量等信息均會由采集儀自動記錄，并根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》和《地面氣象觀測規(guī)范》分段計(jì)算當(dāng)日溢流量和蒸發(fā)量，公式如下：

E601 型蒸發(fā)站蒸發(fā)計(jì)主要包括直徑24 cm 的靜水桶和直徑61.8 cm 的蒸發(fā)桶兩部分，通過管道連接后能確保靜水桶和蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度一致性。靜水桶始終處于密封狀態(tài)，可認(rèn)為其蒸發(fā)量為零，所以蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度變化情況可由靜水桶內(nèi)水面高度反映并通過傳感器進(jìn)行量測，故其蒸發(fā)量測算公式可調(diào)整［1]為：

2 群庫勒水文站概況

新疆阿勒泰地區(qū)布爾津縣沖乎爾鎮(zhèn)群庫勒水文站于20 世紀(jì)50年代中期建站，測站于2019年7月建成E601 型蒸發(fā)站并開始蒸發(fā)量的蒸發(fā)站觀測。該測站是當(dāng)前新疆阿勒泰地區(qū)為數(shù)不多的采用E601 型蒸發(fā)站與人工同時(shí)測量的觀測站。測站位于阿勒泰山西南麓，大陸深處遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的大陸性寒涼氣候區(qū)域，蒸發(fā)巨大，水汽補(bǔ)充源稀少，十分不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3 比測情況及分析

將群庫勒水文站人工觀測日所取得的蒸發(fā)量資料和E601型蒸發(fā)站當(dāng)日蒸發(fā)量資料進(jìn)行比測。群庫勒水文站主要進(jìn)行水位、泥沙、流量、降水、蒸發(fā)等水文項(xiàng)目的觀測，2019年E601 蒸發(fā)計(jì)所測年蒸發(fā)量845.5 mm，年降雨量729.9 mm，為提升比測結(jié)果的準(zhǔn)確性，在E601 蒸發(fā)計(jì)的基礎(chǔ)上新建起E601 型蒸發(fā)站，并通過對蒸發(fā)場周邊測量環(huán)境的一致性處理，使干擾因素大大降低。

3.1 原始比測數(shù)據(jù)

選定群庫勒水文站實(shí)際蒸發(fā)量人工觀測與觀測數(shù)據(jù)比測時(shí)間段為2019年7月～10月，共4 個月123 天，其中8月的比測日數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 群庫勒水文站蒸發(fā)量人工觀測與觀測數(shù)據(jù)對比分析單位：mm

3.1.1 E601 型蒸發(fā)站與人工蒸發(fā)比測

在2019年7月～10月的觀測期間內(nèi)，人工觀測和蒸發(fā)站觀測蒸發(fā)總量分別為265.5 mm、267.3 mm，絕對誤差1.84 mm，相對誤差0.69%，7月～10月E601 型蒸發(fā)站與人工蒸發(fā)比測統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 2019年7月～10月E601 型蒸發(fā)站與人工蒸發(fā)比測統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在7月～10月共4 個月123 d 的比測過程中，人工觀測的8月最大日蒸發(fā)量達(dá)6.5 mm，蒸發(fā)站觀測值為6.3 mm，絕對誤差-0.2 mm；人工觀測的8月最小日蒸發(fā)量1.0 mm，蒸發(fā)站觀測為0.9 mm，絕對誤差-0.1 mm。在123 天的比測過程中，人工觀測和蒸發(fā)站觀測日蒸發(fā)量誤差絕對值在0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm 及0.2 mm 以內(nèi)的天數(shù)分別為109 d、97 d、86 d 和84 d，分別占總觀測天數(shù)的88.62%、78.86%、69.92%和68.29%。

觀測期間降雨日為31 d，人工觀測和蒸發(fā)站觀測日蒸發(fā)量誤差在0.2 mm 內(nèi)的天數(shù)為24 d，占總觀測天數(shù)的19.51%；其余92 d 均為非降雨日，人工觀測和蒸發(fā)站觀測日蒸發(fā)量誤差在0.2 mm 內(nèi)的天數(shù)為68 d，占總觀測天數(shù)的55.28%。

3.1.2 E601 型蒸發(fā)站與人工降雨比測

在7月～10月的比測過程中降雨日為31 d，蒸發(fā)站所顯示的降雨日為30 d，人工觀測降雨比E601 型蒸發(fā)站多一日的當(dāng)天降雨量為0.2 mm。比測期間，人工觀測降雨總量442.1 mm，蒸發(fā)站數(shù)字雨量計(jì)所測降雨總量為439.5 mm，絕對誤差為-2.6 mm，相對誤差為0.59%。比測過程中降水日共有31 d，蒸發(fā)站數(shù)字雨量計(jì)所測降水量比人工觀測降水量大的有2 d、比人工觀測降水量小的有18 d，相等的有11 d。

3.2 誤差分析

在7月～10月的比測過程中，人工觀測蒸發(fā)量和E601 型蒸發(fā)站觀測蒸發(fā)量誤差為正的有46 d，占比37.4%；誤差為負(fù)的有37 d，占比30.08%；無誤差的有40 d，占比32.52%。則可計(jì)算出比測期間人工觀測蒸發(fā)量和E601 型蒸發(fā)站觀測蒸發(fā)量的標(biāo)準(zhǔn)差：

式中：Ei為人工觀測日蒸發(fā)量和E601 型蒸發(fā)站觀測日蒸發(fā)量相對誤差，%；μ 為日蒸發(fā)量觀測相對誤差均值，%；N 為比測日數(shù)，d。經(jīng)計(jì)算，群庫勒水文站比測期間人工觀測蒸發(fā)量和E601型蒸發(fā)站觀測蒸發(fā)量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.1%。

按照《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》，極限偏差取±0.2 mm，誤差絕對值≤0.2 mm 則為一致。在所進(jìn)行的123 d 的比測過程中，日蒸發(fā)量誤差絕對值在0.2 mm 以內(nèi)的天數(shù)84 d，占總觀測天數(shù)的68.29%，E601 型蒸發(fā)站蒸發(fā)量誤差符合規(guī)范要求［2]。

進(jìn)行123 組人工觀測和蒸發(fā)站觀測有效比測數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，其相關(guān)關(guān)系曲線見圖1，由分布情況可以看出，比測數(shù)據(jù)近似圍繞1 ∶1 直線分布，表明，人工觀測和蒸發(fā)站觀測的日蒸發(fā)量值線性相關(guān)關(guān)系良好，且線性方程為y=0.9294x+0.1897，R2=0.9264，且通過0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 人工觀測和蒸發(fā)站觀測有效比測數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系曲線

考慮到蒸發(fā)量計(jì)算受降雨量影響較大，為此還應(yīng)進(jìn)行比測期間降雨量誤差的分析。比測過程中總降雨量人工觀測值與蒸發(fā)站觀測值絕對誤差-2.6 mm，相對誤差為0.59%，根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》可以判斷，降雨量觀測誤差較小。

3.3 誤差的可能原因

水面蒸發(fā)受環(huán)境溫度、降水量、水溫、水氣壓力差、濕度、季節(jié)等諸多因素影響，而且人工觀測和蒸發(fā)站觀測也存在施測環(huán)境、儀器等不可控制因素所導(dǎo)致的誤差，群庫勒水電站人工蒸發(fā)量觀測方式沿用至今必然有其科學(xué)性與可借鑒參考性。根據(jù)比測資料，在8：00 的觀測日分界點(diǎn)，大風(fēng)所引起的觀測水面波動較大，人工觀測和蒸發(fā)站觀測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)均存在較大誤差，以人工觀測值為參考依據(jù)，則應(yīng)縮小E601 型蒸發(fā)站測量值與人工觀測值之間的絕對誤差，以符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

群庫勒水文站E601 型蒸發(fā)站自2019年7月運(yùn)行以來系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，并未出現(xiàn)測量故障。在2019年7月～10月的比測期間，日蒸發(fā)量人工觀測和蒸發(fā)站觀測值絕對誤差在0.5 mm 以內(nèi)的天數(shù)為109 d，占觀測總天數(shù)的88.62%，絕對誤差在0.2 mm 以內(nèi)的天數(shù)為84 d，占觀測總天數(shù)的68.29%，完全符合《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》相關(guān)要求，表明E601型蒸發(fā)站數(shù)據(jù)觀測精度相當(dāng)接近人工觀測數(shù)據(jù)精度，數(shù)據(jù)可靠性有保障。在非降雨情況下蒸發(fā)桶內(nèi)液面下降至設(shè)計(jì)液限以下時(shí)蒸發(fā)站會自動補(bǔ)水，而降雨量較大時(shí)，蒸發(fā)桶內(nèi)液面超出設(shè)計(jì)液限后儀器會自動取水，而且該蒸發(fā)測站系統(tǒng)采用0.1 mm 翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行降雨觀測，較大降雨阻礙翻斗及時(shí)翻轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)丟失，而稱重式雨量計(jì)不存在這個問題。

隨著我國水文觀測事業(yè)的不斷進(jìn)步，E601 型蒸發(fā)站蒸發(fā)觀測儀器逐步取代人工觀測已是必然，本文所研究的群庫勒水文站E601 型蒸發(fā)站觀測精度已達(dá)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其取代人工觀測后便能真正實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量的在線監(jiān)測。