E601 型蒸发站在群库勒水文站的应用探讨

徐 伟

（新疆阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836500）

1 E601型蒸发站工作原理

E601 型蒸发站系统主要由浮子式数字水面蒸发计、雨量计、补水器、采控器、上位机及太阳能供电等部分构成，其中，基本观测工具主要是蒸发计、雨量计和溢流桶，主要进行蒸发量信息的采集与处理，蒸发、降水及溢流等过程信息的显示，蒸发桶及排水过程的测控等。通过RS485/232 通信接口和上位机相连的采集器主要借助系统软件进行水面蒸发过程的远程监控、信息收集及资料整编。

在非降水日，采集器通过采集蒸发桶内的水面高度变动情况信息进行蒸发量的相关计算，当蒸发桶内水面线降至所设定标线以下1.5 cm 时，采集器便会在8：00 的观测日分界点控制补水泵自动向蒸发桶补水，待桶内水位上升至设定标线之上2.0 cm 后，重新以补水后的水面线为起测点，进行蒸发量观测。

在降水日，当蒸发桶内水面线升至设定标线之上2.5 cm时，溢流阀便会在采集仪的驱动下全部开启后进行人工排水；而当水位线降至设定标线以下1.5 cm 时溢流阀闭合，排水过程停止。排水前后及排水过程中的水位、雨量等信息均会由采集仪自动记录，并根据《水面蒸发观测规范》和《地面气象观测规范》分段计算当日溢流量和蒸发量，公式如下：

E601 型蒸发站蒸发计主要包括直径24 cm 的静水桶和直径61.8 cm 的蒸发桶两部分，通过管道连接后能确保静水桶和蒸发桶内水面高度一致性。静水桶始终处于密封状态，可认为其蒸发量为零，所以蒸发桶内水面高度变化情况可由静水桶内水面高度反映并通过传感器进行量测，故其蒸发量测算公式可调整［1]为：

2 群库勒水文站概况

新疆阿勒泰地区布尔津县冲乎尔镇群库勒水文站于20 世纪50年代中期建站，测站于2019年7月建成E601 型蒸发站并开始蒸发量的蒸发站观测。该测站是当前新疆阿勒泰地区为数不多的采用E601 型蒸发站与人工同时测量的观测站。测站位于阿勒泰山西南麓，大陆深处远离海洋，属于典型的大陆性寒凉气候区域，蒸发巨大，水汽补充源稀少，十分不利于当地农业生产及社会经济发展。

3 比测情况及分析

将群库勒水文站人工观测日所取得的蒸发量资料和E601型蒸发站当日蒸发量资料进行比测。群库勒水文站主要进行水位、泥沙、流量、降水、蒸发等水文项目的观测，2019年E601 蒸发计所测年蒸发量845.5 mm，年降雨量729.9 mm，为提升比测结果的准确性，在E601 蒸发计的基础上新建起E601 型蒸发站，并通过对蒸发场周边测量环境的一致性处理，使干扰因素大大降低。

3.1 原始比测数据

选定群库勒水文站实际蒸发量人工观测与观测数据比测时间段为2019年7月～10月，共4 个月123 天，其中8月的比测日数据详见表1。

表1 群库勒水文站蒸发量人工观测与观测数据对比分析单位：mm

3.1.1 E601 型蒸发站与人工蒸发比测

在2019年7月～10月的观测期间内，人工观测和蒸发站观测蒸发总量分别为265.5 mm、267.3 mm，绝对误差1.84 mm，相对误差0.69%，7月～10月E601 型蒸发站与人工蒸发比测统计结果见表2。

表2 2019年7月～10月E601 型蒸发站与人工蒸发比测统计结果

在7月～10月共4 个月123 d 的比测过程中，人工观测的8月最大日蒸发量达6.5 mm，蒸发站观测值为6.3 mm，绝对误差-0.2 mm；人工观测的8月最小日蒸发量1.0 mm，蒸发站观测为0.9 mm，绝对误差-0.1 mm。在123 天的比测过程中，人工观测和蒸发站观测日蒸发量误差绝对值在0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm 及0.2 mm 以内的天数分别为109 d、97 d、86 d 和84 d，分别占总观测天数的88.62%、78.86%、69.92%和68.29%。

观测期间降雨日为31 d，人工观测和蒸发站观测日蒸发量误差在0.2 mm 内的天数为24 d，占总观测天数的19.51%；其余92 d 均为非降雨日，人工观测和蒸发站观测日蒸发量误差在0.2 mm 内的天数为68 d，占总观测天数的55.28%。

3.1.2 E601 型蒸发站与人工降雨比测

在7月～10月的比测过程中降雨日为31 d，蒸发站所显示的降雨日为30 d，人工观测降雨比E601 型蒸发站多一日的当天降雨量为0.2 mm。比测期间，人工观测降雨总量442.1 mm，蒸发站数字雨量计所测降雨总量为439.5 mm，绝对误差为-2.6 mm，相对误差为0.59%。比测过程中降水日共有31 d，蒸发站数字雨量计所测降水量比人工观测降水量大的有2 d、比人工观测降水量小的有18 d，相等的有11 d。

3.2 误差分析

在7月～10月的比测过程中，人工观测蒸发量和E601 型蒸发站观测蒸发量误差为正的有46 d，占比37.4%；误差为负的有37 d，占比30.08%；无误差的有40 d，占比32.52%。则可计算出比测期间人工观测蒸发量和E601 型蒸发站观测蒸发量的标准差：

式中：Ei为人工观测日蒸发量和E601 型蒸发站观测日蒸发量相对误差，%；μ 为日蒸发量观测相对误差均值，%；N 为比测日数，d。经计算，群库勒水文站比测期间人工观测蒸发量和E601型蒸发站观测蒸发量的标准差为0.1%。

按照《水面蒸发观测规范》，极限偏差取±0.2 mm，误差绝对值≤0.2 mm 则为一致。在所进行的123 d 的比测过程中，日蒸发量误差绝对值在0.2 mm 以内的天数84 d，占总观测天数的68.29%，E601 型蒸发站蒸发量误差符合规范要求［2]。

进行123 组人工观测和蒸发站观测有效比测数据的相关性分析，其相关关系曲线见图1，由分布情况可以看出，比测数据近似围绕1 ∶1 直线分布，表明，人工观测和蒸发站观测的日蒸发量值线性相关关系良好，且线性方程为y=0.9294x+0.1897，R2=0.9264，且通过0.01 水平的显著性检验。

图1 人工观测和蒸发站观测有效比测数据相关关系曲线

考虑到蒸发量计算受降雨量影响较大，为此还应进行比测期间降雨量误差的分析。比测过程中总降雨量人工观测值与蒸发站观测值绝对误差-2.6 mm，相对误差为0.59%，根据《水面蒸发观测规范》可以判断，降雨量观测误差较小。

3.3 误差的可能原因

水面蒸发受环境温度、降水量、水温、水气压力差、湿度、季节等诸多因素影响，而且人工观测和蒸发站观测也存在施测环境、仪器等不可控制因素所导致的误差，群库勒水电站人工蒸发量观测方式沿用至今必然有其科学性与可借鉴参考性。根据比测资料，在8：00 的观测日分界点，大风所引起的观测水面波动较大，人工观测和蒸发站观测蒸发量数据均存在较大误差，以人工观测值为参考依据，则应缩小E601 型蒸发站测量值与人工观测值之间的绝对误差，以符合规范要求。

4 结论

群库勒水文站E601 型蒸发站自2019年7月运行以来系统稳定性良好，并未出现测量故障。在2019年7月～10月的比测期间，日蒸发量人工观测和蒸发站观测值绝对误差在0.5 mm 以内的天数为109 d，占观测总天数的88.62%，绝对误差在0.2 mm 以内的天数为84 d，占观测总天数的68.29%，完全符合《水面蒸发观测规范》相关要求，表明E601型蒸发站数据观测精度相当接近人工观测数据精度，数据可靠性有保障。在非降雨情况下蒸发桶内液面下降至设计液限以下时蒸发站会自动补水，而降雨量较大时，蒸发桶内液面超出设计液限后仪器会自动取水，而且该蒸发测站系统采用0.1 mm 翻斗式雨量计进行降雨观测，较大降雨阻碍翻斗及时翻转可能导致观测数据丢失，而称重式雨量计不存在这个问题。

随着我国水文观测事业的不断进步，E601 型蒸发站蒸发观测仪器逐步取代人工观测已是必然，本文所研究的群库勒水文站E601 型蒸发站观测精度已达设计规范要求，其取代人工观测后便能真正实现蒸发量的在线监测。