王家坝站自动蒸发站数据分析研究

李 漭

（安徽省水文局王家坝水文站，安徽 阜阳 236312）

水面蒸发是水文站重要观测项目之一[1]，近年来，水利部水文司不断加快推进水文现代化建设，水文测验设备发展取得了长足的进步[2]。安徽省近年来开展了22个以典型小流域和典型监测点地面定位观测为主要内容的不同侵蚀区水土流失动态监测点，而阜阳市王家坝水文站属于其中之一，监测内容主要包括气象因子（降水、蒸发、温度、风力风向等）、径流、泥沙、水体扰动状况等。观测方面已从人为因素为主转变为以仪器设备性能为主，观测员只需保障设备维护和数据质量正常使用即可。而蒸发数据对我国气候变化提供数据依据，有着重大的参考价值。FFH100 型自动蒸发器也具有性能好准确度高的特点，但是其自动数据观测异常处理还是一个比较复杂的过程，因受干扰较多，数据敏感性强，但是由于人工进行比对，能够很直观的发现其疑误记录，从而进行筛选，做好蒸发量数据的质量控制。

1 研究背景

刘小飞等根据马氏瓶工作原理设计了一种恒水位蒸发皿装置，可以用该装置的水面蒸发量来指导农田灌溉[3]，赵钰等探究了FFH100 型自动蒸发系统在长清水文站的应用并对观测资料进行了对比分析，发现自动蒸发系统在大雨期间蒸发受到的影响较大且无法解决冰期测量要求，无雨或小雨条件下自动蒸发系统可代替人工观测[4]，周佳华等探究了FFZ-01Z自动蒸发站在石梁河水库水文站的应用分析，发现可对雨量计和水位计进行改造或选用更高精度设备以提高自动蒸发站整体观测精度[5]，刘卫根等介绍了FFZ-01型自动水面蒸发站的系统组成和工作原理并采用差值分析法和一致率分析法对萍乡水文站2019年4 月至2020 年8 月自动监测和人工观测蒸发数据进行比测分析，发现自动蒸发观测精度较高且无雨日观测精度高于有雨日，同时非汛期比对观测一致率高于汛期[6]。

已有研究针对FFZ-01Z自动蒸发站和FFH100 型自动蒸发系统观测数据进行了大量数据分析，但测站地理位置与周边环境对蒸发结果观测影响较大。有鉴于此，本研究拟分析FFH100 型自动蒸发系统长系列数据，探究其与人工蒸发测量的关系，以期改进FFH100 型自动蒸发系统的测验精度，尝试采用自动蒸发系统替代人工观测数据，进而降低人工观测误差，提升水文测验工作效率，加速推进水文现代化进程。

2 材料与方法

2.1 测站简介

王家坝水文站设立于20 世纪50 年代初，坐落在安徽省阜阳市阜南县王家坝镇王家坝村。位于淮河中游豫皖两省交界处，是淮河干流重要控制站，属暖温带向亚热带过渡季风气候。因其特殊的地理位置和复杂多变的水流特性。属国家重点水文站，也是全国水土保持监测网络和信息系统建设二期工程安徽省水土流失监测点之一。王家坝水文站占地面积约800 m2，观测场内设立集蒸发、降水、气温、土壤墒情、风力风速等观测于一体综合实验场所，常年有人驻守测验并具有远程报送功能，是个多方面的控制站。

2.2 蒸发观测场简介

蒸发观测场位于王家坝水文站站内，占地面积约100 m2，毗邻淮河，枯水期距淮河水体仅230 m，四周建筑、树木等遮蔽物较少，具有良好的观测条件。场内安装有FFH100 型自动蒸发器和E601 型蒸发桶及配套的风速风向传感器、自记雨量器、气温计等设施，同时安装有空气温湿度传感器和土壤墒情传感器等RTU自记设备。

2.3 自动蒸发器简介

FFH100 型自动蒸发器主要由E601 B蒸发桶、液位测井、0.1 mm分辨率专用雨量计、数据采集终端RTU、通信模块DTU、智能测控器、供电系统等组成。E601蒸发桶用于水面蒸发，液位测井内部安装磁致伸缩传感器，分辨率可达0.024 mm，专用雨量计用于监测降水量，数据采集终端在测控器的控制下读取各传感器数据，计算蒸发量，通信模块DTU在测控器控制下每天定时上报蒸发数据，测控器控制各组件定时采集蒸发桶的液位和雨量计的降雨量，能根据蒸发桶的液位自动控制补水阀给蒸发桶补水，能在雨期控制打开溢流阀进行溢流。

FFH100型自动蒸发器够高精度监测蒸发量，其蒸发量精度为0.1 mm。同时可用于无人值守的蒸发站，能自动记录每日蒸发量与降雨量数据，并支持无线远传和发报。

3 试验数据及分析

3.1 自动蒸发站与人工比测

受王家坝水土保持监测站地形限制，蒸发场内仅安装一套自动蒸发站，人工观测蒸发直接采用自动蒸发器配套的E601B型蒸发器，每天08∶00观测。FFH100 自动蒸发站会自动计算降雨量，在没有出现自动溢流或自动补水时，非冰期日蒸发量应按下列方法计算：

式中：E为日蒸发量，mm；P为日降水量，mm；h1、h2为上次（前一日）和本次（当日）的蒸发器水面高度，mm；1.1为该型蒸发器面积与E601B蒸发器面积的比例系数。

3.2 数据分析

收集王家坝水土保持监测站FFH100型自动蒸发器遥测数据，并与人工观测数据进行对比分析。排除冰冻与仪器故障和其他故障期的观测数据，FFH100型自动蒸发器数据147组，人工观测数据214组。排除夜间溢流与补水造成较大误差的数据后保留137组数据，其月度人工蒸发与遥测蒸发对比见图1。

图1 月度人工蒸发与遥测蒸发对比

将人工蒸发量与遥测蒸发量按照旬处理，得到公式，其相关关系系数（见图2）。

图2 旬人工蒸发与遥测蒸发对比

人工蒸发量与遥测蒸发量按照月处理，并与上述旬度数据汇总，得到公式，其相关关系系数（见图3）。

图3 旬月人工蒸发与遥测蒸发对比

3.3 误差分析

（1）因蒸发观测受场地影响，该站人工观测时直接观测FFH100 型自动蒸发站配套的E601 型蒸发器，观测结果受自动蒸发器补水和溢流影响，一定程度上影响观测准确度。

（2）FFH100 型自动蒸发站设计为溢流会发生在夜里，溢流时间并不固定，且人工无法准确测量溢流后的液位，此时自动观测数据会存在误差。同时其补水时间也不固定，且有概率发生在夜间，致使其补水量难以人工观测和校测。

（3）因蒸发器水面与大气接触，水面受外界环境影响大，不但会随时间积累来自大气的漂浮物，而且会受小动物活动影响积累杂物，需要定期补换水。在人工观测E601 型蒸发器蒸发数据时，会因水面漂浮物等产生观测误差，同时在更换水体和清理水中杂时也会对自动蒸发器观测数据产生影响。

（4）本研究蒸发量观测数据总量依然偏少，通过延长观测时间并采用跨年数据以获取长系列数据，既有利于积累对比观测数据，也有利于完成自动蒸发器的校测和微调。

4 结论

（1）FFH100 型自动蒸发站观测数据与人工观测数据存在较高相关关系，其旬度观测数据相关系数为0.9059，汇总月度与旬度数据时相关系数为0.9768。

（2）可根据场地情况额外增加一套人工补水的E601 型蒸发器，消除自动蒸发器对人工观测数据的影响，同时也有利于获取更多观测数据进行比测分析。

（3）FFH100型自动蒸发站观测时需要考虑自动溢流与自动补水对蒸发观测的影响，需要在统计数据时进行数据筛选。

（4）FFH100型自动蒸发站仍有改进的空间，针对该型自动蒸发站夜间补水和溢流的特性，可以在管道中安装流量计量设备计算溢流量与补水量，进一步提高蒸发量计量与观测精度。