王家壩站自動蒸發站數據分析研究

李 漭

（安徽省水文局王家壩水文站，安徽 阜陽 236312）

水面蒸發是水文站重要觀測項目之一[1]，近年來，水利部水文司不斷加快推進水文現代化建設，水文測驗設備發展取得了長足的進步[2]。安徽省近年來開展了22個以典型小流域和典型監測點地面定位觀測為主要內容的不同侵蝕區水土流失動態監測點，而阜陽市王家壩水文站屬于其中之一，監測內容主要包括氣象因子（降水、蒸發、溫度、風力風向等）、徑流、泥沙、水體擾動狀況等。觀測方面已從人為因素為主轉變為以儀器設備性能為主，觀測員只需保障設備維護和數據質量正常使用即可。而蒸發數據對我國氣候變化提供數據依據，有著重大的參考價值。FFH100 型自動蒸發器也具有性能好準確度高的特點，但是其自動數據觀測異常處理還是一個比較復雜的過程，因受干擾較多，數據敏感性強，但是由于人工進行比對，能夠很直觀的發現其疑誤記錄，從而進行篩選，做好蒸發量數據的質量控制。

1 研究背景

劉小飛等根據馬氏瓶工作原理設計了一種恒水位蒸發皿裝置，可以用該裝置的水面蒸發量來指導農田灌溉[3]，趙鈺等探究了FFH100 型自動蒸發系統在長清水文站的應用并對觀測資料進行了對比分析，發現自動蒸發系統在大雨期間蒸發受到的影響較大且無法解決冰期測量要求，無雨或小雨條件下自動蒸發系統可代替人工觀測[4]，周佳華等探究了FFZ-01Z自動蒸發站在石梁河水庫水文站的應用分析，發現可對雨量計和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[5]，劉衛根等介紹了FFZ-01型自動水面蒸發站的系統組成和工作原理并采用差值分析法和一致率分析法對萍鄉水文站2019年4 月至2020 年8 月自動監測和人工觀測蒸發數據進行比測分析，發現自動蒸發觀測精度較高且無雨日觀測精度高于有雨日，同時非汛期比對觀測一致率高于汛期[6]。

已有研究針對FFZ-01Z自動蒸發站和FFH100 型自動蒸發系統觀測數據進行了大量數據分析，但測站地理位置與周邊環境對蒸發結果觀測影響較大。有鑒于此，本研究擬分析FFH100 型自動蒸發系統長系列數據，探究其與人工蒸發測量的關系，以期改進FFH100 型自動蒸發系統的測驗精度，嘗試采用自動蒸發系統替代人工觀測數據，進而降低人工觀測誤差，提升水文測驗工作效率，加速推進水文現代化進程。

2 材料與方法

2.1 測站簡介

王家壩水文站設立于20 世紀50 年代初，坐落在安徽省阜陽市阜南縣王家壩鎮王家壩村。位于淮河中游豫皖兩省交界處，是淮河干流重要控制站，屬暖溫帶向亞熱帶過渡季風氣候。因其特殊的地理位置和復雜多變的水流特性。屬國家重點水文站，也是全國水土保持監測網絡和信息系統建設二期工程安徽省水土流失監測點之一。王家壩水文站占地面積約800 m2，觀測場內設立集蒸發、降水、氣溫、土壤墑情、風力風速等觀測于一體綜合實驗場所，常年有人駐守測驗并具有遠程報送功能，是個多方面的控制站。

2.2 蒸發觀測場簡介

蒸發觀測場位于王家壩水文站站內，占地面積約100 m2，毗鄰淮河，枯水期距淮河水體僅230 m，四周建筑、樹木等遮蔽物較少，具有良好的觀測條件。場內安裝有FFH100 型自動蒸發器和E601 型蒸發桶及配套的風速風向傳感器、自記雨量器、氣溫計等設施，同時安裝有空氣溫濕度傳感器和土壤墑情傳感器等RTU自記設備。

2.3 自動蒸發器簡介

FFH100 型自動蒸發器主要由E601 B蒸發桶、液位測井、0.1 mm分辨率專用雨量計、數據采集終端RTU、通信模塊DTU、智能測控器、供電系統等組成。E601蒸發桶用于水面蒸發，液位測井內部安裝磁致伸縮傳感器，分辨率可達0.024 mm，專用雨量計用于監測降水量，數據采集終端在測控器的控制下讀取各傳感器數據，計算蒸發量，通信模塊DTU在測控器控制下每天定時上報蒸發數據，測控器控制各組件定時采集蒸發桶的液位和雨量計的降雨量，能根據蒸發桶的液位自動控制補水閥給蒸發桶補水，能在雨期控制打開溢流閥進行溢流。

FFH100型自動蒸發器夠高精度監測蒸發量，其蒸發量精度為0.1 mm。同時可用于無人值守的蒸發站，能自動記錄每日蒸發量與降雨量數據，并支持無線遠傳和發報。

3 試驗數據及分析

3.1 自動蒸發站與人工比測

受王家壩水土保持監測站地形限制，蒸發場內僅安裝一套自動蒸發站，人工觀測蒸發直接采用自動蒸發器配套的E601B型蒸發器，每天08∶00觀測。FFH100 自動蒸發站會自動計算降雨量，在沒有出現自動溢流或自動補水時，非冰期日蒸發量應按下列方法計算：

式中：E為日蒸發量，mm；P為日降水量，mm；h1、h2為上次（前一日）和本次（當日）的蒸發器水面高度，mm；1.1為該型蒸發器面積與E601B蒸發器面積的比例系數。

3.2 數據分析

收集王家壩水土保持監測站FFH100型自動蒸發器遙測數據，并與人工觀測數據進行對比分析。排除冰凍與儀器故障和其他故障期的觀測數據，FFH100型自動蒸發器數據147組，人工觀測數據214組。排除夜間溢流與補水造成較大誤差的數據后保留137組數據，其月度人工蒸發與遙測蒸發對比見圖1。

圖1 月度人工蒸發與遙測蒸發對比

將人工蒸發量與遙測蒸發量按照旬處理，得到公式，其相關關系系數（見圖2）。

圖2 旬人工蒸發與遙測蒸發對比

人工蒸發量與遙測蒸發量按照月處理，并與上述旬度數據匯總，得到公式，其相關關系系數（見圖3）。

圖3 旬月人工蒸發與遙測蒸發對比

3.3 誤差分析

（1）因蒸發觀測受場地影響，該站人工觀測時直接觀測FFH100 型自動蒸發站配套的E601 型蒸發器，觀測結果受自動蒸發器補水和溢流影響，一定程度上影響觀測準確度。

（2）FFH100 型自動蒸發站設計為溢流會發生在夜里，溢流時間并不固定，且人工無法準確測量溢流后的液位，此時自動觀測數據會存在誤差。同時其補水時間也不固定，且有概率發生在夜間，致使其補水量難以人工觀測和校測。

（3）因蒸發器水面與大氣接觸，水面受外界環境影響大，不但會隨時間積累來自大氣的漂浮物，而且會受小動物活動影響積累雜物，需要定期補換水。在人工觀測E601 型蒸發器蒸發數據時，會因水面漂浮物等產生觀測誤差，同時在更換水體和清理水中雜時也會對自動蒸發器觀測數據產生影響。

（4）本研究蒸發量觀測數據總量依然偏少，通過延長觀測時間并采用跨年數據以獲取長系列數據，既有利于積累對比觀測數據，也有利于完成自動蒸發器的校測和微調。

4 結論

（1）FFH100 型自動蒸發站觀測數據與人工觀測數據存在較高相關關系，其旬度觀測數據相關系數為0.9059，匯總月度與旬度數據時相關系數為0.9768。

（2）可根據場地情況額外增加一套人工補水的E601 型蒸發器，消除自動蒸發器對人工觀測數據的影響，同時也有利于獲取更多觀測數據進行比測分析。

（3）FFH100型自動蒸發站觀測時需要考慮自動溢流與自動補水對蒸發觀測的影響，需要在統計數據時進行數據篩選。

（4）FFH100型自動蒸發站仍有改進的空間，針對該型自動蒸發站夜間補水和溢流的特性，可以在管道中安裝流量計量設備計算溢流量與補水量，進一步提高蒸發量計量與觀測精度。