六陳水文站自動蒸發監測系統比測分析

黃文疆，廖炳忠

（貴港水文中心，廣西 貴港 537100）

1 測站基本概況

六陳水文站設立于1961年1月，位于貴港市平南縣六陳鎮，是珠江流域西江水系白沙江的重要控制站，屬國家基本水文站，流量測驗為二類精度站，集水面積450 km2，主要測驗項目有：水位、流量、降水、蒸發等。

六陳站蒸發觀測場處在六陳水庫壩首山坡上，山坡露出馬腳度約有15°，西北面高，東南面低為迎風坡。觀測場尺寸為10 m×10 m，觀測設備有：人工雨量計、遙測雨量計、E601B蒸發器、自動蒸發系統、氣溫觀測使用百葉箱。四周相對空曠，受遮檔物影響較小。

2 設備引進及安裝調試情況

2.1 任務由來

為解決傳統水面蒸發工作強度大、效率低、自動化功能不足等問題，六陳站于2017年底引進安裝了北京金水燕禹科技有限公司研制的YY-ZF-01A型自動蒸發監測系統，并開展比測分析工作。

2.2 設備結構

YY-ZF-01A型自動蒸發系統以E601B型標準蒸發器、水位傳感器為蒸發量和溢流量觀測器具，以JD01A型翻斗雨量傳感器為降水量觀測器具，以水面遙測蒸發器主機實時采集處理蒸發、溢流、降水數據，并控制對蒸發桶、水圈的自動補水，實現水面蒸發量的全自動、采集、實時在線測量、記錄。系統主要由KYDM-F型數字水面蒸發計、JD01型數字雨量計、自動補水裝置、采集控制器）、上位機系統、供電系統組成。系統組成示意圖見圖1。

圖1 YY-ZF-01A型自動蒸發系統組成示意圖

2.3 工作原理

YY-ZF-01A型自動蒸發系統以數字型水面蒸發計、JD01A型數字雨量計、內置溢流桶為基本觀測工具，采集器自動采集、處理、顯示蒸發量、降水量、溢流量的過程信息。并通過蒸發查詢軟件平臺實現蒸發信息自動監測過程。

（1）YY-ZF-01A型自動蒸發系統的E601B型蒸發桶水位高度保持在水位標志線上。

（2）無降水日的日分界時刻，采集器自動采集E601B型蒸發桶內水面高度變化計算蒸發量。當蒸發桶內水面高度降至水位標志線以下10 mm時，采集器在每日08：00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，并以此作為起測點，測量下一時段的蒸發量。

（3）在降水日，當有溢流產生時，溢流計實時計算出溢流量并通過水泵將溢流部分排入溢流井內的溢流桶，雨量計實時監測降雨量，在日分界時刻蒸發計監測E601B型蒸發桶水面高度的變化，計算出蒸發量。

根據《水面蒸發觀測規范》（SL 630-2013）規定，日蒸發量=（蒸發桶水位起算值-蒸發桶水位測量值）×1.15+降水量-溢流量，可簡化表示為：QF=（W0-Wt）×1.15+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值均由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 比測執行的技術標準

蒸發量比測是指自動蒸發器觀測的蒸發量與人工觀測的蒸發量兩者之間進行對比。本報告的蒸發量比測以人工觀測的蒸發量數據為準，比測執行《水面蒸發觀測規范》（SL 630-2013）、《降水量觀測規范》（SL 21-2015）以及《廣西水文流量泥沙蒸發自動監測系統率定分析關鍵技術及應用綱要（試行）》技術標準，當蒸發量檢驗分析應滿足以下4項指標之一者，可投產使用。

（1）日蒸發量分析。檢驗分析期間日蒸發量絕對誤差不大于1 mm日數的合格率大于90%，不大于0.6 mm日數的合格率大于75%；不大于0.3 mm日數的合格率大于60%。

（2）旬蒸發量分析。檢驗分析期間大部分旬數旬蒸發量相對誤差需不大于±20%，不滿足精度要求的需分析原因。

（3）月蒸發量分析。檢驗分析期間大部分月數月蒸發量相對誤差需不大于±10%，不滿足精度要求的需分析原因。

（4）已批復蒸發自動監測系統的站點、新增加蒸發量觀測項目且采用蒸發自動監測系統的站點，通過不少于3次/年的注水試驗校驗，精度合格的，可（繼續）投產使用。

4 比測校驗情況

4.1 比測目的

蒸發自動監測系統比測分析目的，核心是將自動蒸發量與人工蒸發量進行同步監測對比，校驗自動監測系統性能情況，及其監測成果與傳統人工觀測的蒸發量成果差異情況，證實以自動監測系統取代傳統人工觀測方法的可行性，進而實現蒸發監測自動化與智能化目的。

4.2 比測分析方法

蒸發量比測檢驗方法有多種，本次分析方法采用自動與人工同步比測法。在確保蒸發自動監測系統運行正常前提下，連續開展12個月蒸發量、降水量等關鍵要素比測工作，編制逐日蒸發量、降水量等自動與人工同步監測成果對比表，統計及點繪旬、月、年等時段總月量相關關系圖（表），校驗與分析以自動監測取代傳統人工觀測的可行性、可靠性及適用條件等。

4.3 資料收集

本文分析采用的資料是六陳站2020年全年共366 d的降水量、蒸發量對比觀測資料。因自動蒸發監測系統有時會出現數據跳變現象，通過人工方法發現并改正一些有明顯錯誤的數據。采用訂正后的數據進行分析。訂正的數據見表1。

表1 六陳站2020年自動蒸發數據訂正表

5 比測資料分析

5.1 降雨量比測成果分析

5.1.1 日降雨量誤差分析

對人工與自動觀測的逐日降雨量數據進行計算統計及對比分析，得出逐日降水量絕對誤差頻率統計結果（見表2），同時點繪逐日降雨量散點對比圖（見圖2），從表2、圖2可以看出，日降雨量絕對誤差大于3.0 mm的日數頻率為0.8%，日降雨量絕對誤差0～0.5 mm的日數頻率最高，為90.4%，共331 d，日降雨量整體誤差較小，降雨量自動觀測精度較高，符合規范要求。

圖2 六陳站逐日降雨量散點對比圖

表2 六陳站逐日降雨量絕對誤差頻率統計

5.1.2 月降雨量誤差分析

通過對人工與自動觀測的雨量進行數據比對，得到月降雨總量及誤差統計（見表3）。由表3可知，月降雨總量最大絕對誤差為2020年6月的-10.0 mm，但相對誤差為-6.7%，差值比較小，月降雨總量最小絕對誤差為2020年11月的0.2 mm。年降雨量絕對誤差合計-14.1 mm，相對誤差合計-1.1%，符合規范要求。

表3 六陳站2020年月降雨總量及誤差統計表

5.2 蒸發量比測成果分析

5.2.1 日蒸發量分析

對2020年自動監測蒸發量與同步人工觀測蒸發量比測成果進行日蒸發量統計及誤差分析，結果見表4。由表4可知，誤差不大于±0.3 mm天數占55.7%，誤差不大于±0.6 mm天數占78.7%，誤差不大于±1.0 mm天數占91.5%，根據《廣西水文流量泥沙蒸發自動監測系統率定分析關鍵技術及應用綱要（試行）》達標值，其日蒸發量誤差≤±0.3 mm指標不符合綱要要求。

表4 六陳站2020年自動監測與人工觀測日蒸發量絕對誤差統計

5.2.2 旬蒸發量分析

對2020年自動監測蒸發量與同步人工觀測蒸發量比測成果進行旬蒸發量統計及誤差分析，結果見表5和圖3。由表5可知，大部分旬誤差均在±20%以內，其中最大誤差為-42.9%，最小誤差為-1.0%，旬蒸發量相對誤差超過±20%的有5個。由圖3可知，旬蒸發量比測點據呈明顯帶狀分布，規律性較好，無異常突出點，且基本處于45°線兩側，經計算其相關系數為0.972，兩者之間相關性好。這證明六陳站蒸發自動監測系統旬蒸發量監測精度總體是可靠的。

表5 六陳站2020年自動監測與人工觀測旬月蒸發量誤差統計表

圖3 六陳站人工與自動旬蒸發量相關圖

5.2.3 月蒸發量分析

月蒸發量統計及誤差分析結果見表5和圖4。由表5可知，月誤差均在±10%以內，其中最大誤差為9.9%，最小誤差為0.2%；由圖4可知，月蒸發量比測點據呈明顯帶狀分布，規律性較好，無異常突出點，其各點據與45°線吻合度很好。

圖4 六陳站人工與自動月蒸發量相關圖

5.2.4 年蒸發量分析

根據六陳站自動監測蒸發量與同步人工觀測蒸發量比測成果，統計2020年蒸發總量，采用兩種系數進行計算比較，系數1.1的年蒸發量誤差為-9.4%，而系數為1.15的誤差為-0.4%，說明年蒸發量按1.15的系數更合理。

6 結語

本文對蒸發自動監測系統比測進行分析，結果表明：YY-ZF-01A型自動蒸發系統在六陳站的觀測結果精度較高，符合《水面蒸發觀測規范》（SL 630-2013）觀測技術要求，其成果可應用于六陳站的資料整編，且該系統運行穩定、可靠性高，提高了工作效率，實現觀測自動化。觀測期間，若自動蒸發監測系統出現故障，應恢復人工觀測，以確保資料的完整性、準確性。