李 漭

（安徽省水文局王家壩水文站，安徽 阜陽(yáng) 236312）

水面蒸發(fā)是水文站重要觀測(cè)項(xiàng)目之一[1]，近年來(lái)，水利部水文司不斷加快推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)，水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[2]。安徽省近年來(lái)開展了22個(gè)以典型小流域和典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面定位觀測(cè)為主要內(nèi)容的不同侵蝕區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而阜陽(yáng)市王家壩水文站屬于其中之一，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括氣象因子（降水、蒸發(fā)、溫度、風(fēng)力風(fēng)向等）、徑流、泥沙、水體擾動(dòng)狀況等。觀測(cè)方面已從人為因素為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢x器設(shè)備性能為主，觀測(cè)員只需保障設(shè)備維護(hù)和數(shù)據(jù)質(zhì)量正常使用即可。而蒸發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)氣候變化提供數(shù)據(jù)依據(jù)，有著重大的參考價(jià)值。FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)器也具有性能好準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，但是其自動(dòng)數(shù)據(jù)觀測(cè)異常處理還是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，因受干擾較多，數(shù)據(jù)敏感性強(qiáng)，但是由于人工進(jìn)行比對(duì)，能夠很直觀的發(fā)現(xiàn)其疑誤記錄，從而進(jìn)行篩選，做好蒸發(fā)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。

1 研究背景

劉小飛等根據(jù)馬氏瓶工作原理設(shè)計(jì)了一種恒水位蒸發(fā)皿裝置，可以用該裝置的水面蒸發(fā)量來(lái)指導(dǎo)農(nóng)田灌溉[3]，趙鈺等探究了FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)在長(zhǎng)清水文站的應(yīng)用并對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)在大雨期間蒸發(fā)受到的影響較大且無(wú)法解決冰期測(cè)量要求，無(wú)雨或小雨條件下自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)可代替人工觀測(cè)[4]，周佳華等探究了FFZ-01Z自動(dòng)蒸發(fā)站在石梁河水庫(kù)水文站的應(yīng)用分析，發(fā)現(xiàn)可對(duì)雨量計(jì)和水位計(jì)進(jìn)行改造或選用更高精度設(shè)備以提高自動(dòng)蒸發(fā)站整體觀測(cè)精度[5]，劉衛(wèi)根等介紹了FFZ-01型自動(dòng)水面蒸發(fā)站的系統(tǒng)組成和工作原理并采用差值分析法和一致率分析法對(duì)萍鄉(xiāng)水文站2019年4 月至2020 年8 月自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)精度較高且無(wú)雨日觀測(cè)精度高于有雨日，同時(shí)非汛期比對(duì)觀測(cè)一致率高于汛期[6]。

已有研究針對(duì)FFZ-01Z自動(dòng)蒸發(fā)站和FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)分析，但測(cè)站地理位置與周邊環(huán)境對(duì)蒸發(fā)結(jié)果觀測(cè)影響較大。有鑒于此，本研究擬分析FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)，探究其與人工蒸發(fā)測(cè)量的關(guān)系，以期改進(jìn)FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)精度，嘗試采用自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)替代人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而降低人工觀測(cè)誤差，提升水文測(cè)驗(yàn)工作效率，加速推進(jìn)水文現(xiàn)代化進(jìn)程。

2 材料與方法

2.1 測(cè)站簡(jiǎn)介

王家壩水文站設(shè)立于20 世紀(jì)50 年代初，坐落在安徽省阜陽(yáng)市阜南縣王家壩鎮(zhèn)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(fēng)氣候。因其特殊的地理位置和復(fù)雜多變的水流特性。屬國(guó)家重點(diǎn)水文站，也是全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)建設(shè)二期工程安徽省水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)之一。王家壩水文站占地面積約800 m2，觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)設(shè)立集蒸發(fā)、降水、氣溫、土壤墑情、風(fēng)力風(fēng)速等觀測(cè)于一體綜合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，常年有人駐守測(cè)驗(yàn)并具有遠(yuǎn)程報(bào)送功能，是個(gè)多方面的控制站。

2.2 蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)簡(jiǎn)介

蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)位于王家壩水文站站內(nèi)，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(cè)條件。場(chǎng)內(nèi)安裝有FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)器和E601 型蒸發(fā)桶及配套的風(fēng)速風(fēng)向傳感器、自記雨量器、氣溫計(jì)等設(shè)施，同時(shí)安裝有空氣溫濕度傳感器和土壤墑情傳感器等RTU自記設(shè)備。

2.3 自動(dòng)蒸發(fā)器簡(jiǎn)介

FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)器主要由E601 B蒸發(fā)桶、液位測(cè)井、0.1 mm分辨率專用雨量計(jì)、數(shù)據(jù)采集終端RTU、通信模塊DTU、智能測(cè)控器、供電系統(tǒng)等組成。E601蒸發(fā)桶用于水面蒸發(fā)，液位測(cè)井內(nèi)部安裝磁致伸縮傳感器，分辨率可達(dá)0.024 mm，專用雨量計(jì)用于監(jiān)測(cè)降水量，數(shù)據(jù)采集終端在測(cè)控器的控制下讀取各傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算蒸發(fā)量，通信模塊DTU在測(cè)控器控制下每天定時(shí)上報(bào)蒸發(fā)數(shù)據(jù)，測(cè)控器控制各組件定時(shí)采集蒸發(fā)桶的液位和雨量計(jì)的降雨量，能根據(jù)蒸發(fā)桶的液位自動(dòng)控制補(bǔ)水閥給蒸發(fā)桶補(bǔ)水，能在雨期控制打開溢流閥進(jìn)行溢流。

FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)器夠高精度監(jiān)測(cè)蒸發(fā)量，其蒸發(fā)量精度為0.1 mm。同時(shí)可用于無(wú)人值守的蒸發(fā)站，能自動(dòng)記錄每日蒸發(fā)量與降雨量數(shù)據(jù)，并支持無(wú)線遠(yuǎn)傳和發(fā)報(bào)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 自動(dòng)蒸發(fā)站與人工比測(cè)

受王家壩水土保持監(jiān)測(cè)站地形限制，蒸發(fā)場(chǎng)內(nèi)僅安裝一套自動(dòng)蒸發(fā)站，人工觀測(cè)蒸發(fā)直接采用自動(dòng)蒸發(fā)器配套的E601B型蒸發(fā)器，每天08∶00觀測(cè)。FFH100 自動(dòng)蒸發(fā)站會(huì)自動(dòng)計(jì)算降雨量，在沒有出現(xiàn)自動(dòng)溢流或自動(dòng)補(bǔ)水時(shí)，非冰期日蒸發(fā)量應(yīng)按下列方法計(jì)算：

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

3.2 數(shù)據(jù)分析

收集王家壩水土保持監(jiān)測(cè)站FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)器遙測(cè)數(shù)據(jù)，并與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。排除冰凍與儀器故障和其他故障期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，F(xiàn)FH100型自動(dòng)蒸發(fā)器數(shù)據(jù)147組，人工觀測(cè)數(shù)據(jù)214組。排除夜間溢流與補(bǔ)水造成較大誤差的數(shù)據(jù)后保留137組數(shù)據(jù)，其月度人工蒸發(fā)與遙測(cè)蒸發(fā)對(duì)比見圖1。

圖1 月度人工蒸發(fā)與遙測(cè)蒸發(fā)對(duì)比

將人工蒸發(fā)量與遙測(cè)蒸發(fā)量按照旬處理，得到公式，其相關(guān)關(guān)系系數(shù)（見圖2）。

圖2 旬人工蒸發(fā)與遙測(cè)蒸發(fā)對(duì)比

人工蒸發(fā)量與遙測(cè)蒸發(fā)量按照月處理，并與上述旬度數(shù)據(jù)匯總，得到公式，其相關(guān)關(guān)系系數(shù)（見圖3）。

圖3 旬月人工蒸發(fā)與遙測(cè)蒸發(fā)對(duì)比

3.3 誤差分析

（1）因蒸發(fā)觀測(cè)受場(chǎng)地影響，該站人工觀測(cè)時(shí)直接觀測(cè)FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)站配套的E601 型蒸發(fā)器，觀測(cè)結(jié)果受自動(dòng)蒸發(fā)器補(bǔ)水和溢流影響，一定程度上影響觀測(cè)準(zhǔn)確度。

（2）FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)站設(shè)計(jì)為溢流會(huì)發(fā)生在夜里，溢流時(shí)間并不固定，且人工無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量溢流后的液位，此時(shí)自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)存在誤差。同時(shí)其補(bǔ)水時(shí)間也不固定，且有概率發(fā)生在夜間，致使其補(bǔ)水量難以人工觀測(cè)和校測(cè)。

（3）因蒸發(fā)器水面與大氣接觸，水面受外界環(huán)境影響大，不但會(huì)隨時(shí)間積累來(lái)自大氣的漂浮物，而且會(huì)受小動(dòng)物活動(dòng)影響積累雜物，需要定期補(bǔ)換水。在人工觀測(cè)E601 型蒸發(fā)器蒸發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)因水面漂浮物等產(chǎn)生觀測(cè)誤差，同時(shí)在更換水體和清理水中雜時(shí)也會(huì)對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)器觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

（4）本研究蒸發(fā)量觀測(cè)數(shù)據(jù)總量依然偏少，通過延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間并采用跨年數(shù)據(jù)以獲取長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)，既有利于積累對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)，也有利于完成自動(dòng)蒸發(fā)器的校測(cè)和微調(diào)。

4 結(jié)論

（1）FFH100 型自動(dòng)蒸發(fā)站觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)存在較高相關(guān)關(guān)系，其旬度觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.9059，匯總月度與旬度數(shù)據(jù)時(shí)相關(guān)系數(shù)為0.9768。

（2）可根據(jù)場(chǎng)地情況額外增加一套人工補(bǔ)水的E601 型蒸發(fā)器，消除自動(dòng)蒸發(fā)器對(duì)人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，同時(shí)也有利于獲取更多觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)分析。

（3）FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)站觀測(cè)時(shí)需要考慮自動(dòng)溢流與自動(dòng)補(bǔ)水對(duì)蒸發(fā)觀測(cè)的影響，需要在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。

（4）FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)站仍有改進(jìn)的空間，針對(duì)該型自動(dòng)蒸發(fā)站夜間補(bǔ)水和溢流的特性，可以在管道中安裝流量計(jì)量設(shè)備計(jì)算溢流量與補(bǔ)水量，進(jìn)一步提高蒸發(fā)量計(jì)量與觀測(cè)精度。