开垦河水文站FFH100型自动蒸发设备与人工观测比测分析

宁 波

(昌吉水文勘测局,新疆 昌吉 831100)

方面工作。

0 引言

蒸发是水文循环的主要环节之一,是重要的水文监测要素。水面蒸发资料为防汛抗旱、水资源管理、生态文明建设等提供了重要支撑和依据。随着时代发展,为提高水文观测站自动化监测水平,逐步实现水文观测自动化、精准化和无人化要求,采用水文蒸发自动化监测设备势在必行。FFH100 型自动蒸发装置是目前比较先进的设备,能够自动监测蒸发量,极大地提高监测效率[1]。该自动监测设备自2019年开始已经在新疆昌吉市开垦河水文站安装运行,为检验设备性能,本文对2019-2022年开垦河水文站FFH100型自动蒸发设备与人工观测数据进行统计比测,对比测结果进行分析,以评估FFH100型自动蒸发设备测量的准确性。

1 开垦河水文站概况

1.1 测站基本情况

开垦河水文站设于1956年10月,位于昌吉市奇台县七户乡七户一村,地理位置:东经:89°51′06.29″,北纬:43°35′33.05″,集水面积371 km2,河长34 km。开垦河水文站为国家基本水文站,属二类精度水文站,属省级重要水文站和中央报汛站,开垦河发源于天山东段北坡,径流的主要补给源为大气降水、中低山带的季节性积雪融水、地下水以及高山冰川融水。

1.2 蒸发器设施的设立情况

开垦河站气象蒸发场位于出山口地带,海拔高度1 502 m,气象蒸发场规格为16 m×20 m,观测场距离建筑物约40 m。为尽快实现水文工作自动化、信息化,适应现代社会对水文测验的要求,降低野外测验人员工作强度,实现水文测验资料监测自动化[2]。开垦河站于2019年安装FFH100型自动蒸发设备,经过对设备不断调试、升级,目前观测数据可同步传输至昌吉水文勘测局服务器。

2 FFH100型自动蒸发设备运行状况

2.1 蒸发器的安装

开垦河站FFH100型自动蒸发2019年布设在气象场内,位于人工观测E601型蒸发器旁。2020年开始比测,整编资料以人工观测资料整编[3]。

2.2 主要技术参数

FFH100型自动蒸发式一种具有较高可靠性和测量分辨率的水面蒸发传感装置,用于非冰期的蒸发量测量,适用于各种环境下水面蒸发量的测量,仪器整体分辨率为0.1 mm,提供无线远传和发报功能。本套设备具有主动溢流功能,使蒸发桶液位保持相对稳定,水位测井配有专用浮子,能有效保证测井中液位的稳定可靠,该装置配有蒸发专用的雨量计,使装置在降雨期间能对蒸发量进行计算,其有自动采集与远程发报功能,真正实现蒸发站的无人化[4]。自动水面蒸发器主要参数见表1。

表1 自动水面蒸发器主要规格及技术参数

2.3 日常运行维护措施

每月对自动蒸发器时行校检1次,包括仪器电源设备、网络、及仪器的时间等,有校检记录。在遇有自动蒸发器调试升级或发现断网、停电的情况以及其它自动蒸发器不能正常运行的情况下,立即恢复人工观测,并记录原因。

3 比测资料选取

为保证开垦河站蒸发量比测资料的一致性,FFH100型自动蒸发设备布设在气象场内,人工观测E601型蒸发器和自动蒸发器布设在同一高度。经多次现场调试后,开垦河站于2020年4月10日-9月30日、2021年4月8日-9月30日、2022年4月16日-9月30日进行了三年人工与自动蒸发器比测工作。比测采用同步观测方法进行,每日8时人工观测蒸发量时,同时摘录FFH100型自动蒸发记录蒸发量。本次选取2022年5月1日-9月30日FFH100型自动蒸发设备和同步人工观测蒸发量比测数据,从每年蒸发器解冻后进行比测。综合测站人工观测收集的气温、水汽压力差、1.5 m风速和人工监测蒸发量、FFH100型自动蒸发监测设备观测的蒸发量及降水量资料进行最终比测分析。

4 比测成果分析

通过比测分析可知,数据与气温、水汽压力差、1.5 m风速、FFH100型监测蒸发量和降水量数据,变化趋势相似且一致。对人工监测E601型蒸发量观测与FFH100型自动蒸发设备观测的日值、旬月值和相关性分析如下。

4.1 日值对比差值分析

将人工观测蒸发量减去FFH100型自动蒸发设备同步记录的蒸发量得到差值,分析两个蒸发量变化受外部因素影响程度。根据收集的资料。分别对人工定时观测数据与FFH100型自动蒸发设备记录蒸发量进行对比差值分析,对比差值在-0.6～0.8之间,FFH100型自动蒸发设备运行正常,观测数值与人工观测偏差较小(见表2)。

表2 FFH100型自动蒸发设备与人工观测数值偏差统计

4.2 旬月值对比差值分析

将2022年5-9月人工观测与FFH100型自动蒸发观测蒸发量旬月值进行差异分析,旬月值对比差值较大出现在8月,人工观测均比自动蒸发观测偏低。5-9月最高蒸发量(人工6.9 mm,自动蒸发站6.8 mm)对比差值0.1 mm,最低蒸发量(人工0.2 mm,自动蒸发站0.2 mm)对比差值0.0 mm(见表3)。

表3 2022年5-9月人工观测与FFH100型自动蒸发观测蒸发量旬月值统计

4.3 相关性分析

通过将FFH100型自动蒸发记录的蒸发量和人工同步观测的蒸发量数据系列建立相关关系,分析相关性和变化是否连续、有无突变现象。

分别点绘的每日蒸发量、旬蒸发量、月蒸发量与FFH100型自动蒸发记录蒸发量相关图,见图1～图6,有图分析可知,两组数据系列变化连续,无突变现象。

图1 开垦河站2022年人工观测与自动监测蒸发量相关图

图3 开垦河(三)站2020、2021年人工观测与自动监测蒸发量相关图

图5 开垦河(三)站人工观测与自动监测旬蒸发量相关图

蒸发量数据密集成一带状,均呈线性关系,相关性很好,R值分别为日蒸发量0.9753、旬蒸发量0.9622、月蒸发量0.9844。日蒸发量线性分析与2021年比测数据进行对比分析基本一致,将两年比测数据合并分析,与2021年、2022年比测分析结果基本一致。

5 结语

(1)FFH100型自动蒸发监测仪使用的传感器工作原理与人工观测蒸发量在工作原理上是不同的,但自动蒸发传感器有较高的分辨率和较大测量范围,可以观测到较小的波动,使得监测到的的数据更加具有代表性。

(2)根据以上线性相关分析和对比差值分析两种方法的分析结果可知,自动观测蒸发数据与人工观测数据变化过程具有相似性、连续性, FFH100型自动蒸发器可以在测站使用。