FFZ-01Z型数字式水面蒸发器在丹江口水库蒸发站的应用

张莉 杨鑫 张德佩

摘 要：水面蒸发是水循环过程中的一个重要环节，是水文学研究的一个重要课题。目前，常用的水面蒸发观测方法是器测法，该方法需要人工定时观测蒸发器内的水面高度变化、降水和溢流量，进而计算蒸发量。FFZ-01Z型数字式水面蒸发器是目前比较先进的自动观测蒸发量的仪器设备。本文主要就FFZ-01Z型数字式水面蒸发器在丹江口水库蒸发站收集的蒸发数据与人工观测数据进行对比分析，探讨FFZ-01Z型数字式水面蒸发器应用的可行性。

关键词：水面蒸发;数字式水面蒸发器;对比分析

Abstract： Water surface evaporation is an important link in the process of water cycle， and it is an important subject of hydrology research. At present， the commonly used method of water surface evaporation observation is the instrument measurement method， which needs to manually observe the change of water surface height， precipitation and overflow flow in the evaporator on time， and then calculate the evaporation amount. FFZ-01Z digital surface evaporator is a relatively advanced automatic evaporation observation equipment at present. In this paper， the evaporation data collected by FFZ-01Z digital surface evaporator in Danjiangkou reservoir evaporation station and the artificial observation data were compared and analyzed， and the application feasibility of FFZ-01Z digital water surface evaporator was discussed.

Keywords： evaporation on water surface; digital surface evaporator; comparative analysis

蒸发是水由液态或固态变成气态的过程，是水文循环过程中的一个重要环节[1]。水面蒸发是水库、湖泊等水体水量损失的主要部分，也是研究其他蒸发的基本参证资料。水面蒸发的研究对流域水量平衡、水资源评价、水利工程规划设计及有效利用水资源等都有重要意义。

1 测站概况

1.1 测站简介

丹江口水库蒸发站设立于2013年12月，位于湖北省丹江口市丹江口大坝左岸。该站的设立是为了探求蒸发器折算系数、水面蒸发经验公式及气象因子与蒸发量的关系等，同时也为水资源研究、降雨径流预报[2]以及丹江口水利枢纽的调度运行和南水北调中线工程运行提供水面蒸发及其附属项目的观测数据。为了提高工作效率，减轻工作强度，丹江口水库蒸发站在建站时就采购安装了FFZ-01Z型数字式水面蒸发器。

1.2 蒸发观测场介绍

蒸发观测场位于丹江口大坝左岸，距丹江口大壩主坝约2 km。蒸发场址平坦空旷，气流畅通，离汉江水体近，周围障碍物遮挡率满足规范要求[3]，占地约1 600 m2，是全长江流域乃至全国最大的蒸发观测场。蒸发场安装有蒸发、降水、气象等设施，包括蒸发自记设备两套（E-601B型蒸发器和20 m2蒸发池的FFZ-01Z型数字水面蒸发器）、风速风向仪、温湿传感器、气压计、土壤湿度仪、日照辐射仪、地温计、雨量器等。

2 FFZ-01Z型数字式水面蒸发器简介

FFZ-01Z型数字式水面蒸发器是由徐州伟思水务科技有限公司依据原中华人民共和国水利电力部《水面蒸发观测规范》（SD 265—88）和中国气象局2003年版《地面气象观测规范》相关要求制造的，用于自动观测水面蒸发过程。

FFZ-01Z型数字式水面蒸发系统由FFZ-01Z型数字水面蒸发器、JFZ-01Z型数字雨量计、溢流桶、自动补水装置、采集控制器、上位机系统、电源保证系统等组成。该蒸发系统以蒸发计、雨量计、溢流桶为基本观测工具，以采集器自动采集、处理、显示蒸发、降水、溢流过程信息，自动控制蒸发桶、溢流桶补、排水过程。FFZ-01Z型数字式水面蒸发器通过RS485口与设备室电脑连接，可实时采集数据，上位机记录显示蒸发传感器值、蒸发累加值、雨量计值、雨量累加值、溢流传感器值、溢流量累加值，并且能够显示各种状态。采用Access数据库进行数据处理和实现报表打印。通过上位机还可以修改各设备通信地址，标定时间，标定日分界。自动蒸发溢流量精度0.01 mm，自动雨量分辨率0.1 mm，自动蒸发量记录精度0.1 mm，蒸发感量0.1 mm。

3 比测实验

比测情况将人工观测数据与E601B型蒸发器、FFZ-01Z型数字式水面蒸发器自记数据进行对比，验证仪器自动采集数据的可靠性。每天早上08：00进行人工观测，同时记录人工与自记的差值。每天不定时对蒸发场进行巡查，检查自记仪器的运行状况，发现问题及时排除，并记录问题发生的时间、缘由、解决问题的时间，保证数据的准确性。

将仪器记录的自记数据与人工观测的数据按日、月蒸发量进行相关分析、误差分析，以确定仪器的可靠性及投产使用的可行性。

4 资料分析

收集2019年1月至8月E601B型蒸发器和20 m2蒸发池的FFZ-01Z型数字蒸发器记录的数据，并与人工观测数据进行对比分析。经统计：排除冰冻、仪器故障，E601B型蒸发器共收集211组数据，20 m2蒸发池的FFZ-01Z型数字水面蒸发器共收集214组数据

4.1 粗差分析

分析蒸发观测的样本数据前，要先剔除粗大误差。剔除明显异常的观测数据，可以降低对整个统计结果的偏态影响，保证统计结果的可靠性。本报告去除粗差的方法采用[3σ]准则。[3σ]准则又称为拉依达准则，它是先假设一组检测数据只含有随机误差，对其进行计算处理得到标准偏差，按一定概率确定一个区间，认为凡超过这个区间的误差，就不属于随机误差而是粗大误差，含有该误差的数据应予以剔除。[3σ]准则适用于有多组数据时。具体方法为：首先根据全部数据计算[σ]，逐个检查对比差值，若有[Xi-X>3σ]时，剔除其中一个最大者，再按计算标准差的公式计算新的[σ]，若还有差值[Xi-X>3σ]，再剔除其中的一個最大者，又计算新的 [σ]，如此循环，直到没有数据需要剔除为止。粗差率的计算公式为：

4.2 日蒸发数据对比分析

将E601B型蒸发器自动收集的211组日蒸发数据和20 m2蒸发池的FFZ-01Z型数字水面蒸发器自动收集的214组日蒸发数据与其对应的人工观测日蒸发数据进行对比分析，没有超过1 mm的绝对误差。具体结果见表1、2。

4.3 月蒸发数据对比分析

对收集到的8个月的月蒸发总量资料进行对比分析：E601B型蒸发器的绝对误差在0～1.7 mm（见表3）;20 m?蒸发池的绝对误差在0.1～3.7 mm（见表4）。

对自记数据和人工观测数据进行相关分析：E601B型蒸发器的相关系数为0.999 9（见图3）;20 m?蒸发池的相关系数为0.999 1（见图4），说明自记与人工观测数据的相关性较强。

5 误差分析

5.1 日观测值误差评定

由于现行蒸发规范没有对蒸发观测不确定度进行说明，本次评定参照《水位观测标准》（GB/T 50138—2010）中的附录E，对FFZ-01Z型数字水面蒸发器与人工蒸发数据进行不确定度评定。

通过计算得出：无论是E601B蒸发器还是20 m?蒸发池，计算的系统不确定度[Xy"]、随机不确定度[Xy']、综合不确定度[XZ]，都低于精度控制的0.3。说明该自记仪器的日蒸发量数据具有较高的可靠性，精度满足要求。

5.2 月观观测值误差评定

2019年1—8月E601B蒸发器的自记月蒸发值与人工观测月蒸发值平均误差为-0.90%，自记值偏小于人工观测值;20 m2蒸发池的自记月蒸发值与人工观测月蒸发值平均误差为0.48%，自记值偏大于人工观测值。

在8个月的数据对比中：E601B型蒸发器的误差最大为-1.80%，最小为0;20 m2蒸发池的误差最大为7.10%，最小为0.10%。

6 结语

通过对比分析，自记数据与人工观测数据关系良好，两组数据的相关性都十分接近于1.0，FFZ-01Z型数字式水面蒸发器可以实现自动监测，精度满足要求。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.水面蒸发观测规范：SL 630—2013[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

[2]中华人民共和国水利部.降水量观测规范：SL 21—2006[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]中华人民共和国水利部.水文基础设施建设及技术装备标准：SL 276—2002[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

[4]中国气象局.地面气象观测规范 第10部分：蒸发观测：QX/T 54—2007[S].北京：气象出版社，2007.

[5]中国气象局.地面气象观测规范 第8部分：降水观测：QX/T 52—2007[S].北京：气象出版社，2007.