全自動(dòng)蒸發(fā)站在蚌埠水文站的應(yīng)用分析

顧 捷

（安徽省蚌埠水文水資源局 蚌埠 233000）

1 自動(dòng)蒸發(fā)站概況

1.1 基本概況

蚌埠水文站是國家基本水文站，位于安徽省蚌埠市龍子湖區(qū)，是淮河干流唯一一座有百年歷史的水文站。1913年建站，1947年開始觀測(cè)蒸發(fā)量，多年平均蒸發(fā)量919.3mm，日最大蒸發(fā)量7.3mm，最小蒸發(fā)量0.1mm。蚌埠水文站蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)是集人工雨量、蒸發(fā)、氣象和自動(dòng)雨量蒸發(fā)氣象觀測(cè)為一體的觀測(cè)場(chǎng)。其中自動(dòng)蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用的是PHZDF-01 型全天候數(shù)字式自動(dòng)蒸發(fā)站，該設(shè)備的蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)、溢流桶，數(shù)據(jù)采集、控制過程、補(bǔ)水過程全部實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，可與GPRS 數(shù)據(jù)傳輸裝置連接組成自動(dòng)站。PHZDF-01 型全天候數(shù)字式自動(dòng)蒸發(fā)站的蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)的分辨率均為0.1mm，溢流量分辨率為0.025mm，符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，降水量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)表格形式符合數(shù)據(jù)入庫整編要求，實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)量的自動(dòng)觀測(cè)、記錄。

1.2 設(shè)備組成及工作原理

1.2.1 設(shè)備組成

蒸發(fā)站設(shè)備結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。

圖1 蒸發(fā)站設(shè)備結(jié)構(gòu)平面圖

1.2.2 設(shè)備原理

本設(shè)備以蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)、溢流桶為基本觀測(cè)工具，以采集器自動(dòng)采集、處理、顯示蒸發(fā)、降水、溢流過程信息、自動(dòng)控制蒸發(fā)桶、溢流補(bǔ)、排水過程。

蒸發(fā)站蒸發(fā)桶水位高度應(yīng)保持在水位標(biāo)志線上。無降水日時(shí)，采集器自動(dòng)采集蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度變化計(jì)算蒸發(fā)量。每當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度降至約定值（水位標(biāo)志線以下10mm）時(shí)，采集器在觀測(cè)日分界時(shí)刻（水文分界日為8：00）控制補(bǔ)水泵工作，給蒸發(fā)桶、水圈自動(dòng)補(bǔ)水，使桶中水位恢復(fù)至水位標(biāo)志線高度，然后，以補(bǔ)水后的高度作為起測(cè)點(diǎn)，測(cè)量下一時(shí)段的蒸發(fā)量。在降水日，當(dāng)蒸發(fā)桶水位升高至約定值（水位標(biāo)志線以上15mm）時(shí)，采集器驅(qū)動(dòng)電磁閥關(guān)閉，記錄此時(shí)的靜水桶的水位h1，然后采集器驅(qū)動(dòng)溢流水泵打開，當(dāng)靜水桶中的水面下降到水位標(biāo)志線以下5mm 時(shí)，采集器驅(qū)動(dòng)溢流泵停止工作，采集器記錄此時(shí)靜水桶的水位h2，此時(shí)記錄器計(jì)算此次排水的高度差，從而根據(jù)測(cè)井的橫截面積S 計(jì)算出此次的溢流量。采集器驅(qū)動(dòng)電磁閥打開，以便下次測(cè)量。

1.3 蒸發(fā)量計(jì)算公式

根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》要求，蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：

QF=（Wt-W0）+Qj-Qy

式中：

QF—水面蒸發(fā)量，mm；

Wt—測(cè)量時(shí)刻t 的蒸發(fā)桶水位，mm；

W0—起算時(shí)刻的蒸發(fā)桶水位，mm；

Qj—被測(cè)時(shí)段內(nèi)的降水量，mm；

Qy—被測(cè)時(shí)段內(nèi)的溢流量，mm；

其中，Wt、W0值由FFZ-01 型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)自動(dòng)測(cè)量，Qj值由JFZ-01 型數(shù)字雨量計(jì)提供，Qy值由溢流桶自動(dòng)測(cè)量。

2 比測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文選取蚌埠水文站2021年1—12月382 個(gè)數(shù)據(jù)，采用無雨雪冰凍天氣且設(shè)備運(yùn)行正常，刪除清洗蒸發(fā)皿和換水時(shí)段的數(shù)據(jù)，對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)設(shè)備數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。

2.1 旬蒸發(fā)量誤差分析

通過對(duì)比分析可以看出，自動(dòng)和人工旬蒸發(fā)量相對(duì)誤差在5%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的23.5%，相對(duì)誤差在5%～10%之間的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的35.3%，相對(duì)誤差在10%以上的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的41.2%。相對(duì)誤差在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的58.8%，超過半數(shù)以上。自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)旬蒸發(fā)量對(duì)比見表1。

表1 2021年自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)旬蒸發(fā)量對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

對(duì)自動(dòng)和人工旬蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)性分析，兩者相關(guān)系數(shù)R2是0.9674。樣本數(shù)據(jù)呈線性分布，相關(guān)性較好。自動(dòng)和人工旬蒸發(fā)量對(duì)比見圖2，自動(dòng)和人工旬蒸發(fā)量相關(guān)關(guān)系見圖3。

圖2 自動(dòng)和人工旬蒸發(fā)量柱狀對(duì)比圖

圖3 自動(dòng)和人工旬蒸發(fā)量相關(guān)圖

2.2 月蒸發(fā)量誤差分析

通過對(duì)比分析可以看出，自動(dòng)和人工月蒸發(fā)量相對(duì)誤差在5%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的75.0%，相對(duì)誤差在5%～10%之間的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的16.7%，相對(duì)誤差在10%以上的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的8.3%。相對(duì)誤差在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的91.7%。自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)月蒸發(fā)量對(duì)比見表2。

表2 2021年自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)月蒸發(fā)量對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

對(duì)自動(dòng)和人工月蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)性分析，兩者相關(guān)系數(shù)R2是0.9952。樣本數(shù)據(jù)呈線性分布，相關(guān)性較好。自動(dòng)和人工月蒸發(fā)量對(duì)比見圖4，自動(dòng)和人工月蒸發(fā)量相關(guān)關(guān)系見圖5。

圖4 自動(dòng)和人工月蒸發(fā)量柱狀對(duì)比圖

圖5 自動(dòng)和人工月蒸發(fā)量相關(guān)圖

2.3 年蒸發(fā)量誤差分析

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，去除降雨降雪天氣，儀器故障和清洗換水時(shí)段的數(shù)據(jù)，全年自動(dòng)蒸發(fā)量為520.4mm，全年人工蒸發(fā)量為531.7mm，絕對(duì)誤差為11.3mm，相對(duì)誤差為2.13%，誤差較小。

2.4 統(tǒng)計(jì)指標(biāo)誤差分析

采用平均絕對(duì)誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE）兩組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差分析。通過對(duì)比分析計(jì)算，2021年人工和自動(dòng)旬蒸發(fā)量的平均絕對(duì)誤差（MAE）為0.67，均方根誤差（RMSE）為0.87；人工和自動(dòng)月蒸發(fā)量的平均絕對(duì)誤差（MAE）為0.55，均方根誤差（RMSE）為0.80，均小于1，符合相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)要求，自動(dòng)蒸發(fā)站監(jiān)測(cè)結(jié)果可信度較高。

3 建議

（1）定期清洗E601B 蒸發(fā)桶。保證蒸發(fā)桶內(nèi)水質(zhì)清潔，清洗蒸發(fā)桶的同時(shí)亦要清洗補(bǔ)水桶。不定期檢查雨量器、承雨器是否有灰塵，進(jìn)水漏斗有無堵塞等。

（2）每日查看自動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常或儀器故障，及時(shí)排查原因，盡快維修處理，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

（3）冬季下雪結(jié)冰期間，由于受氣候的影響，自動(dòng)蒸發(fā)儀器應(yīng)停用。采用人工觀測(cè)日蒸發(fā)量，并測(cè)記結(jié)冰符號(hào)。

（4）繼續(xù)對(duì)自動(dòng)和人工進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，積累更多資料，分析判斷，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)精度■