六陈水文站自动蒸发监测系统比测分析

黄文疆，廖炳忠

（贵港水文中心，广西 贵港 537100）

1 测站基本概况

六陈水文站设立于1961年1月，位于贵港市平南县六陈镇，是珠江流域西江水系白沙江的重要控制站，属国家基本水文站，流量测验为二类精度站，集水面积450 km2，主要测验项目有：水位、流量、降水、蒸发等。

六陈站蒸发观测场处在六陈水库坝首山坡上，山坡露出马脚度约有15°，西北面高，东南面低为迎风坡。观测场尺寸为10 m×10 m，观测设备有：人工雨量计、遥测雨量计、E601B蒸发器、自动蒸发系统、气温观测使用百叶箱。四周相对空旷，受遮档物影响较小。

2 设备引进及安装调试情况

2.1 任务由来

为解决传统水面蒸发工作强度大、效率低、自动化功能不足等问题，六陈站于2017年底引进安装了北京金水燕禹科技有限公司研制的YY-ZF-01A型自动蒸发监测系统，并开展比测分析工作。

2.2 设备结构

YY-ZF-01A型自动蒸发系统以E601B型标准蒸发器、水位传感器为蒸发量和溢流量观测器具，以JD01A型翻斗雨量传感器为降水量观测器具，以水面遥测蒸发器主机实时采集处理蒸发、溢流、降水数据，并控制对蒸发桶、水圈的自动补水，实现水面蒸发量的全自动、采集、实时在线测量、记录。系统主要由KYDM-F型数字水面蒸发计、JD01型数字雨量计、自动补水装置、采集控制器）、上位机系统、供电系统组成。系统组成示意图见图1。

图1 YY-ZF-01A型自动蒸发系统组成示意图

2.3 工作原理

YY-ZF-01A型自动蒸发系统以数字型水面蒸发计、JD01A型数字雨量计、内置溢流桶为基本观测工具，采集器自动采集、处理、显示蒸发量、降水量、溢流量的过程信息。并通过蒸发查询软件平台实现蒸发信息自动监测过程。

（1）YY-ZF-01A型自动蒸发系统的E601B型蒸发桶水位高度保持在水位标志线上。

（2）无降水日的日分界时刻，采集器自动采集E601B型蒸发桶内水面高度变化计算蒸发量。当蒸发桶内水面高度降至水位标志线以下10 mm时，采集器在每日08：00控制补水泵工作，给蒸发桶补水，使桶中水位恢复至水位标志线高度，并以此作为起测点，测量下一时段的蒸发量。

（3）在降水日，当有溢流产生时，溢流计实时计算出溢流量并通过水泵将溢流部分排入溢流井内的溢流桶，雨量计实时监测降雨量，在日分界时刻蒸发计监测E601B型蒸发桶水面高度的变化，计算出蒸发量。

根据《水面蒸发观测规范》（SL 630-2013）规定，日蒸发量=（蒸发桶水位起算值-蒸发桶水位测量值）×1.15+降水量-溢流量，可简化表示为：QF=（W0-Wt）×1.15+Qj-Qy，式中：QF为水面蒸发量，mm；Wt为测量时刻t的蒸发桶水位，mm；W0为起算时刻的蒸发桶水位，mm；Wt、W0值均由YY-ZF-01A型数字水面蒸发计自动测量；Qj为被测时段内的降水量，由YY-ZF-01A型数字雨量计提供，mm；Qy为被测时段内的溢流量，由测井自动测量，mm。

3 比测执行的技术标准

蒸发量比测是指自动蒸发器观测的蒸发量与人工观测的蒸发量两者之间进行对比。本报告的蒸发量比测以人工观测的蒸发量数据为准，比测执行《水面蒸发观测规范》（SL 630-2013）、《降水量观测规范》（SL 21-2015）以及《广西水文流量泥沙蒸发自动监测系统率定分析关键技术及应用纲要（试行）》技术标准，当蒸发量检验分析应满足以下4项指标之一者，可投产使用。

（1）日蒸发量分析。检验分析期间日蒸发量绝对误差不大于1 mm日数的合格率大于90%，不大于0.6 mm日数的合格率大于75%；不大于0.3 mm日数的合格率大于60%。

（2）旬蒸发量分析。检验分析期间大部分旬数旬蒸发量相对误差需不大于±20%，不满足精度要求的需分析原因。

（3）月蒸发量分析。检验分析期间大部分月数月蒸发量相对误差需不大于±10%，不满足精度要求的需分析原因。

（4）已批复蒸发自动监测系统的站点、新增加蒸发量观测项目且采用蒸发自动监测系统的站点，通过不少于3次/年的注水试验校验，精度合格的，可（继续）投产使用。

4 比测校验情况

4.1 比测目的

蒸发自动监测系统比测分析目的，核心是将自动蒸发量与人工蒸发量进行同步监测对比，校验自动监测系统性能情况，及其监测成果与传统人工观测的蒸发量成果差异情况，证实以自动监测系统取代传统人工观测方法的可行性，进而实现蒸发监测自动化与智能化目的。

4.2 比测分析方法

蒸发量比测检验方法有多种，本次分析方法采用自动与人工同步比测法。在确保蒸发自动监测系统运行正常前提下，连续开展12个月蒸发量、降水量等关键要素比测工作，编制逐日蒸发量、降水量等自动与人工同步监测成果对比表，统计及点绘旬、月、年等时段总月量相关关系图（表），校验与分析以自动监测取代传统人工观测的可行性、可靠性及适用条件等。

4.3 资料收集

本文分析采用的资料是六陈站2020年全年共366 d的降水量、蒸发量对比观测资料。因自动蒸发监测系统有时会出现数据跳变现象，通过人工方法发现并改正一些有明显错误的数据。采用订正后的数据进行分析。订正的数据见表1。

表1 六陈站2020年自动蒸发数据订正表

5 比测资料分析

5.1 降雨量比测成果分析

5.1.1 日降雨量误差分析

对人工与自动观测的逐日降雨量数据进行计算统计及对比分析，得出逐日降水量绝对误差频率统计结果（见表2），同时点绘逐日降雨量散点对比图（见图2），从表2、图2可以看出，日降雨量绝对误差大于3.0 mm的日数频率为0.8%，日降雨量绝对误差0～0.5 mm的日数频率最高，为90.4%，共331 d，日降雨量整体误差较小，降雨量自动观测精度较高，符合规范要求。

图2 六陈站逐日降雨量散点对比图

表2 六陈站逐日降雨量绝对误差频率统计

5.1.2 月降雨量误差分析

通过对人工与自动观测的雨量进行数据比对，得到月降雨总量及误差统计（见表3）。由表3可知，月降雨总量最大绝对误差为2020年6月的-10.0 mm，但相对误差为-6.7%，差值比较小，月降雨总量最小绝对误差为2020年11月的0.2 mm。年降雨量绝对误差合计-14.1 mm，相对误差合计-1.1%，符合规范要求。

表3 六陈站2020年月降雨总量及误差统计表

5.2 蒸发量比测成果分析

5.2.1 日蒸发量分析

对2020年自动监测蒸发量与同步人工观测蒸发量比测成果进行日蒸发量统计及误差分析，结果见表4。由表4可知，误差不大于±0.3 mm天数占55.7%，误差不大于±0.6 mm天数占78.7%，误差不大于±1.0 mm天数占91.5%，根据《广西水文流量泥沙蒸发自动监测系统率定分析关键技术及应用纲要（试行）》达标值，其日蒸发量误差≤±0.3 mm指标不符合纲要要求。

表4 六陈站2020年自动监测与人工观测日蒸发量绝对误差统计

5.2.2 旬蒸发量分析

对2020年自动监测蒸发量与同步人工观测蒸发量比测成果进行旬蒸发量统计及误差分析，结果见表5和图3。由表5可知，大部分旬误差均在±20%以内，其中最大误差为-42.9%，最小误差为-1.0%，旬蒸发量相对误差超过±20%的有5个。由图3可知，旬蒸发量比测点据呈明显带状分布，规律性较好，无异常突出点，且基本处于45°线两侧，经计算其相关系数为0.972，两者之间相关性好。这证明六陈站蒸发自动监测系统旬蒸发量监测精度总体是可靠的。

表5 六陈站2020年自动监测与人工观测旬月蒸发量误差统计表

图3 六陈站人工与自动旬蒸发量相关图

5.2.3 月蒸发量分析

月蒸发量统计及误差分析结果见表5和图4。由表5可知，月误差均在±10%以内，其中最大误差为9.9%，最小误差为0.2%；由图4可知，月蒸发量比测点据呈明显带状分布，规律性较好，无异常突出点，其各点据与45°线吻合度很好。

图4 六陈站人工与自动月蒸发量相关图

5.2.4 年蒸发量分析

根据六陈站自动监测蒸发量与同步人工观测蒸发量比测成果，统计2020年蒸发总量，采用两种系数进行计算比较，系数1.1的年蒸发量误差为-9.4%，而系数为1.15的误差为-0.4%，说明年蒸发量按1.15的系数更合理。

6 结语

本文对蒸发自动监测系统比测进行分析，结果表明：YY-ZF-01A型自动蒸发系统在六陈站的观测结果精度较高，符合《水面蒸发观测规范》（SL 630-2013）观测技术要求，其成果可应用于六陈站的资料整编，且该系统运行稳定、可靠性高，提高了工作效率，实现观测自动化。观测期间，若自动蒸发监测系统出现故障，应恢复人工观测，以确保资料的完整性、准确性。