天長水文站自動蒸發(fā)觀測系統(tǒng)運行評價分析

黃 飛

（安徽省滁州水文水資源局，安徽 滁州 23900）

0 引言

隨著水文現(xiàn)代化改革的持續(xù)推進， 水文資料收集在線自動化取得了一定的成績。 水位雨量數(shù)據(jù)收集均實現(xiàn)了自動化， 二線能坡法和雷達側(cè)掃等自動測流方法也在迅速推進， 但蒸發(fā)要素的采集還依靠人工， 這不僅制約了我省水文現(xiàn)代化的發(fā)展， 也隨著中小河流等站網(wǎng)的建設(shè)增加了基層職工的勞動強度， 與新發(fā)展時期下的水文發(fā)展道路不符。

為全面推進水文現(xiàn)代化改革實現(xiàn)水文要素收集全自動化，2017 年， 安徽省天長水文站引進了JYZF-01 型自動蒸發(fā)系統(tǒng)。 通過建立自動蒸發(fā)系統(tǒng)，研究其測驗數(shù)據(jù)完整性與一致性，探索出一條蒸發(fā)觀測自動化的道路。 利用天長水文站自動蒸發(fā)與人工蒸發(fā)對比資料， 采用數(shù)理統(tǒng)計分析法分析自動蒸發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性， 為論證蒸發(fā)自動觀測替代人工觀測可行性提供數(shù)據(jù)支撐基礎(chǔ)。

1 水面自動蒸發(fā)站系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

JYZF-01 型自動水面蒸發(fā)系統(tǒng)由E601B 型蒸發(fā)桶、AG2.0 型超聲波水位傳感器、SL3-1 翻斗雨量傳感器、RTU 遙測終端機、 蒸發(fā)桶自動補水裝置、水圈自動補水裝置、自動排水裝置、電源控制裝置以及數(shù)據(jù)無線傳輸裝置等組成， 實現(xiàn)了自動測量水面蒸發(fā)、 自動排水和補水等功。 圖1 為JYZF-01 型全自動水面蒸發(fā)系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 JYZF-01 型全自動水面蒸發(fā)系統(tǒng)組成示意圖

1.2 工作原理

1.2.1 蒸發(fā)量計算

根據(jù)水面蒸發(fā)觀測規(guī)范， 水面蒸發(fā)計算由式公（1）計算。 即

式中：E表示蒸發(fā)量 （單位mm）；h1表示上一觀測段制蒸發(fā)皿內(nèi)的液面高度（單位mm）；h2表示當前觀測段制蒸發(fā)皿內(nèi)的液面高度 （單位mm）；p表示上一段制至當前段制內(nèi)降水量， 由雨量傳感器測得，（單位mm）；q表示上一段制至當前段制內(nèi)溢流量，由溢流傳感器測得（單位mm） 。

根據(jù)蒸發(fā)計算原理,自動蒸發(fā)工作原理分為無降水時工作模式和有降水時工作模式兩種情況。

（1）無降水時

沒有降水時， 蒸發(fā)量就等于該段制蒸發(fā)皿內(nèi)液面高度與上一段制蒸發(fā)皿內(nèi)液面高度之差。 即

當蒸發(fā)桶內(nèi)的液面到達下限水位時RTU 終端機指令補水器自動補水， 一直到設(shè)定水位線高度關(guān)閉， 并將補水后的液面高度作為下一段制觀測的起測點，用來測量計算下一段制的蒸發(fā)量[1]。

（2）有降水時

為應(yīng)對暴雨時雨量監(jiān)測誤差， 當雨量傳感器監(jiān)測到降水時水位傳感器將每分鐘監(jiān)測一次水位。 RTU 終端每分鐘接受并實時處理降水量、降水強度、水位等數(shù)據(jù)，依據(jù)雨強大小做出以下處理。

①雨強≦4mm/min

若E 為負數(shù)則記作0。

②雨強＞4mm/min

此一分鐘內(nèi)蒸發(fā)量E 記作0。則某時段內(nèi)蒸發(fā)量可由該時段每分鐘蒸發(fā)量相加求得。1.2.2 水位傳感器測量原理

水位傳感器采用AG2.0 型超聲波水位傳感器，通過連接管將蒸發(fā)桶與靜水桶相連，利用連通器原理測量靜水桶內(nèi)水位高度。

2 數(shù)據(jù)采集與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

由于2017 年至2019 年設(shè)備不穩(wěn)定數(shù)據(jù)丟失嚴重，2019 年底對設(shè)備進行了升級改造，本次就以2020 年1 月 至2021 年11 月 共23 個 月666 組 有效的數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)錄入EXCEL 軟件，利用數(shù)據(jù)分析工具庫進行比較分析。

2.2 分析方法

2.2.1 相對誤差分析法

相對誤差指的是測量所造成的絕對誤差與被測量（約定）真值之比乘以100%所得的數(shù)值，以百分數(shù)表示[2]。 本文將同每月自動蒸發(fā)總量減去人工觀測蒸發(fā)總量得到的絕對誤差值除以人工觀測值得相對誤差， 用以反映自動蒸發(fā)觀測值的可信程度。

2.2.2 數(shù)據(jù)符合率分析

符合率，即對比觀測期內(nèi)人工、自動水面蒸發(fā)器比測絕對誤差小于1.0mm 的天數(shù)占總有效觀測天數(shù)的百分比[3]，以檢驗自動蒸發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2.3 相關(guān)回歸分析[4]

相關(guān)回歸分析法是處理多個變量之間相互關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法，是數(shù)理統(tǒng)計常用方法之一[5-6]。本文將自動蒸發(fā)觀測的數(shù)值x作為自變量，人工觀測蒸發(fā)的數(shù)值y作為因變量，對666 組蒸發(fā)數(shù)據(jù)進行一元線性回歸分析[7]，得出一元二次線性回歸方程。

3 結(jié)果分析

3.1 相對誤差分析

將上述收集到的人工觀測數(shù)據(jù)和自動蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，計算出相對誤差，結(jié)果見表1。 由表1 可以看出，比測期間內(nèi)自動蒸發(fā)和人工蒸發(fā)每月總量相對誤差在-4.96%到4.42%之間，其中相對誤差值最大發(fā)生月在2021年1 月為-4.96%， 最小發(fā)生在2020 年10 月為-0.14%。 由于冬季結(jié)冰因素影響[3]，2021 年1 月相對誤差相差較大， 但在結(jié)冰期自動蒸發(fā)可以停止觀測采用人工觀測插補。 總體來看自動蒸發(fā)與人工蒸發(fā)相對誤差較小。

表1 天長水文站自動蒸發(fā)與人工蒸發(fā)比測相對誤差表

3.2 數(shù)據(jù)符合率分析

統(tǒng)計天長水文站2020 年1 月1 日至2021 年11 月30 日自動蒸發(fā)值與人工蒸發(fā)值絕對誤差小于1mm 的天數(shù)，計算每個月及比測期內(nèi)23 個月總體符合率。 結(jié)果見表2。

表2 天長水文站自動蒸發(fā)觀測符合率分析表

從表2 中可看出，符合率最低出現(xiàn)在2021 年9 月份， 為83.3%， 其次為2020 年9 月份，為86.7%；符合率超過90%的月份有20 個，占總月份個數(shù)的87.0%， 其中符合率達100%的月份達8 個月。 可以看出自動蒸發(fā)觀測數(shù)值與人工蒸發(fā)觀測數(shù)值接近，自動蒸發(fā)觀測還是比較可靠的[4]，9 月份符合率偏低是由于受到汛期降水時自動蒸發(fā)濺水原因?qū)е拢?此外暴雨期蒸發(fā)池汲水等非自然因素變化導(dǎo)致人工蒸發(fā)觀測誤差增大[3]。

3.3 相關(guān)回歸分析

以自動觀測蒸發(fā)量為自變量x，人工觀測蒸發(fā)量為因變量y，對666 組人工觀測數(shù)據(jù)和自動觀測 數(shù)據(jù)進行一元線性回歸分析[7]， 得到y(tǒng)=0.9168x+0.2009，R2=0.9071。線性回歸圖見圖2，從圖中可以看出， 自動蒸發(fā)數(shù)值與人工蒸發(fā)數(shù)值二者呈一次函數(shù)關(guān)系，具備線性相關(guān)關(guān)系。

圖2 人工與自動蒸發(fā)線性回歸分析圖

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1） 相對誤差分析與數(shù)據(jù)符合率分析結(jié)果表明，自動蒸發(fā)觀測精度高。 比測期間總體數(shù)據(jù)符合率達到94.3%，總體結(jié)果滿足資料整編要求。

（2）相關(guān)回歸分析結(jié)果表明，所建立的回歸方程y=0.9168x+0.2009，R2=0.9071 完整表達有效，自動蒸發(fā)數(shù)值與人工蒸發(fā)數(shù)值二者呈一次函數(shù)關(guān)系，具備線性相關(guān)關(guān)系。

（3）通過本文研究可以得出，自動蒸發(fā)觀測精度高數(shù)據(jù)可靠，可用自動蒸發(fā)替代人工觀測。

4.2 建議

（1）設(shè)備需要定期維護，確保設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)。

（2） 設(shè)備箱內(nèi)增加散熱裝置保證夏季高溫期設(shè)備穩(wěn)定。

（3）為保證設(shè)備觀測精度和穩(wěn)定性，確保收集到的資料可靠，需要定期進行人工觀測校核。 □