全自动蒸发站在蚌埠水文站的应用分析

2022-09-20顾捷

治淮 2022年9期

顾捷

（安徽省蚌埠水文水资源局蚌埠 233000）

1 自动蒸发站概况

1.1 基本概况

蚌埠水文站是国家基本水文站，位于安徽省蚌埠市龙子湖区，是淮河干流唯一一座有百年历史的水文站。1913年建站，1947年开始观测蒸发量，多年平均蒸发量919.3mm，日最大蒸发量7.3mm，最小蒸发量0.1mm。蚌埠水文站蒸发观测场是集人工雨量、蒸发、气象和自动雨量蒸发气象观测为一体的观测场。其中自动蒸发量监测设备，采用的是PHZDF-01 型全天候数字式自动蒸发站，该设备的蒸发计、雨量计、溢流桶，数据采集、控制过程、补水过程全部实现了数字化，可与GPRS 数据传输装置连接组成自动站。PHZDF-01 型全天候数字式自动蒸发站的蒸发计、雨量计的分辨率均为0.1mm，溢流量分辨率为0.025mm，符合相关国家标准要求，降水量、蒸发量数据表格形式符合数据入库整编要求，实现水面蒸发量的自动观测、记录。

1.2 设备组成及工作原理

1.2.1 设备组成

蒸发站设备结构平面图见图1。

图1 蒸发站设备结构平面图

1.2.2 设备原理

本设备以蒸发计、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、溢流补、排水过程。

蒸发站蒸发桶水位高度应保持在水位标志线上。无降水日时，采集器自动采集蒸发桶内水面高度变化计算蒸发量。每当蒸发桶内水面高度降至约定值（水位标志线以下10mm）时，采集器在观测日分界时刻（水文分界日为8：00）控制补水泵工作，给蒸发桶、水圈自动补水，使桶中水位恢复至水位标志线高度，然后，以补水后的高度作为起测点，测量下一时段的蒸发量。在降水日，当蒸发桶水位升高至约定值（水位标志线以上15mm）时，采集器驱动电磁阀关闭，记录此时的静水桶的水位h1，然后采集器驱动溢流水泵打开，当静水桶中的水面下降到水位标志线以下5mm 时，采集器驱动溢流泵停止工作，采集器记录此时静水桶的水位h2，此时记录器计算此次排水的高度差，从而根据测井的横截面积S 计算出此次的溢流量。采集器驱动电磁阀打开，以便下次测量。

1.3 蒸发量计算公式

根据《水面蒸发观测规范》要求，蒸发量的计算公式为：

QF=（Wt-W0）+Qj-Qy

式中：

QF—水面蒸发量，mm；

Wt—测量时刻t 的蒸发桶水位，mm；

W0—起算时刻的蒸发桶水位，mm；

Qj—被测时段内的降水量，mm；

Qy—被测时段内的溢流量，mm；

其中，Wt、W0值由FFZ-01 型数字水面蒸发计自动测量，Qj值由JFZ-01 型数字雨量计提供，Qy值由溢流桶自动测量。

2 比测数据分析

本文选取蚌埠水文站2021年1—12月382 个数据，采用无雨雪冰冻天气且设备运行正常，删除清洗蒸发皿和换水时段的数据，对自动蒸发设备数据和人工数据进行误差分析。

2.1 旬蒸发量误差分析

通过对比分析可以看出，自动和人工旬蒸发量相对误差在5%以内的数据占总数据的23.5%，相对误差在5%～10%之间的数据占总数据的35.3%，相对误差在10%以上的数据占总数据的41.2%。相对误差在10%以内的数据占总数据的58.8%，超过半数以上。自动监测和人工观测旬蒸发量对比见表1。

表1 2021年自动监测和人工观测旬蒸发量对比统计表

对自动和人工旬蒸发量进行相关性分析，两者相关系数R2是0.9674。样本数据呈线性分布，相关性较好。自动和人工旬蒸发量对比见图2，自动和人工旬蒸发量相关关系见图3。

图2 自动和人工旬蒸发量柱状对比图

图3 自动和人工旬蒸发量相关图

2.2 月蒸发量误差分析

通过对比分析可以看出，自动和人工月蒸发量相对误差在5%以内的数据占总数据的75.0%，相对误差在5%～10%之间的数据占总数据的16.7%，相对误差在10%以上的数据占总数据的8.3%。相对误差在10%以内的数据占总数据的91.7%。自动监测和人工观测月蒸发量对比见表2。

表2 2021年自动监测和人工观测月蒸发量对比统计表

对自动和人工月蒸发量进行相关性分析，两者相关系数R2是0.9952。样本数据呈线性分布，相关性较好。自动和人工月蒸发量对比见图4，自动和人工月蒸发量相关关系见图5。

图4 自动和人工月蒸发量柱状对比图

图5 自动和人工月蒸发量相关图

2.3 年蒸发量误差分析

根据资料统计，去除降雨降雪天气，仪器故障和清洗换水时段的数据，全年自动蒸发量为520.4mm，全年人工蒸发量为531.7mm，绝对误差为11.3mm，相对误差为2.13%，误差较小。

2.4 统计指标误差分析

采用平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）两组统计数据，进行误差分析。通过对比分析计算，2021年人工和自动旬蒸发量的平均绝对误差（MAE）为0.67，均方根误差（RMSE）为0.87；人工和自动月蒸发量的平均绝对误差（MAE）为0.55，均方根误差（RMSE）为0.80，均小于1，符合相关统计指标要求，自动蒸发站监测结果可信度较高。