全自動水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)在官良水文站的應(yīng)用分析

麥梓泳

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526000)

水面蒸發(fā)觀測是水文要素觀測的組成部分，通過研究水體的水面蒸發(fā)及蒸發(fā)能力在不同地區(qū)和時間上的變化規(guī)律，為水文氣象預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、水資源評價、水文模型確定等方面提供技術(shù)支撐。傳統(tǒng)的水面蒸發(fā)觀測方法是人工每日北京時間8:00觀測1次，結(jié)合輔助降雨觀測，計算每日水面蒸發(fā)量。采用全自動水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行水面蒸發(fā)量觀測是實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化和水文監(jiān)測自動化的必經(jīng)之路。

1 基本情況

官良水文站建于1958年，位于廣東省云浮市郁南縣河口鎮(zhèn)甘羅村委會官良村[1]。官良水文站作為羅定江中下游的控制站，屬于國家重要水文站，擔(dān)負(fù)著水位、流量、泥沙、水質(zhì)、降水和蒸發(fā)測驗工作任務(wù)。其中，水面蒸發(fā)觀測啟用于2016年1月1日[2]，依據(jù)歷年蒸發(fā)觀測資料可知，官良水文站年蒸發(fā)量在787.5～1 032.5 mm之間，日蒸發(fā)量最小值為0 mm，日蒸發(fā)量最大值為6.7 mm。

2 全自動水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

官良水文站采用的自動蒸發(fā)儀器為HY.FFZ-3定量汲水水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由E601蒸發(fā)器、高精度蒸發(fā)器液位測量裝置、高精度雨量測量裝置、儲水箱裝置、控制箱、遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)和太陽能電池系統(tǒng)組成(見圖1)。E601蒸發(fā)桶與蒸發(fā)測量裝置在地面下通過1條直徑為32 mm的塑料膠管連通，構(gòu)成液體U型管。當(dāng)E601蒸發(fā)桶水位發(fā)生變化時，根據(jù)U型管原理可知：蒸發(fā)測量裝置內(nèi)部的水位與E601蒸發(fā)桶的水位始終保持一致。

圖1 全自動水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)組成示意

2.2 測量原理與計算公式

測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，全自動水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)采用最先進(jìn)的磁致伸縮傳感器進(jìn)行測量[3]。磁致伸縮傳感器由波導(dǎo)管、電子倉和1只可移動的永磁鐵(圓柱狀浮球)組成。當(dāng)水位發(fā)生升降變化時，浮球沿著波導(dǎo)管在水面發(fā)生相應(yīng)的升降位移。該系統(tǒng)設(shè)定每5 min自動采集1次水位數(shù)據(jù)，即電子倉每5 min自動發(fā)射1個起始脈沖，電子脈沖在波導(dǎo)管上傳輸形成一個徑向的磁場。當(dāng)徑向磁場與永磁鐵產(chǎn)生的縱向磁場相遇時，就會出現(xiàn)磁致伸縮現(xiàn)象，產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，形成1個磁致旋轉(zhuǎn)波，并傳輸回到電子倉。由發(fā)射到接受2個脈沖的時間差，可知磁致旋轉(zhuǎn)波的傳播速度，能夠精準(zhǔn)測出浮球的位移和水面高度。

全自動水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)計算公式為[4]：

E=P+(h1-h2)+∑h補(bǔ)-∑h取(汲)×Ke

(1)

式中：

E——日水面蒸發(fā)量,mm；

P——日降水量,mm；

h1——上次(前日)蒸發(fā)器水位高度；

h2——本次(當(dāng)日)蒸發(fā)器水位高度；

∑h補(bǔ)——前1日8:00至當(dāng)日8:00，加入水量之和；

∑h取(汲)——前1日8:00至當(dāng)日8:00，取出水量之和；

Ke——蒸發(fā)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

為了提高測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，測量裝置配套了減阻系統(tǒng)和防波阻尼系統(tǒng)。蒸發(fā)系統(tǒng)和雨量系統(tǒng)的測量精度可達(dá)0.1 mm，水位分辨力：蒸發(fā)系統(tǒng)為0.031 mm，雨量系統(tǒng)為0.015 mm。

3 資料選用范圍

文章選用2020年10月1日至2021年3月31日的人工觀測蒸發(fā)量與自動監(jiān)測蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。經(jīng)統(tǒng)計獲取6個月，共182組蒸發(fā)值數(shù)據(jù)資料[5]。其中2020年12月31日8：00由于人工清洗蒸發(fā)桶時誤操作進(jìn)入清洗模式，導(dǎo)致12月30日的測量值為零，不屬于自動蒸發(fā)儀器自身發(fā)生故障，2020年12月30日數(shù)據(jù)僅統(tǒng)計，不參與誤差分析[6]。

4 誤差分析方法[7]

4.1 絕對誤差

絕對誤差是測量值與真實(shí)值之差的絕對值，文章把自動監(jiān)測數(shù)據(jù)當(dāng)作測量值，人工觀測數(shù)據(jù)當(dāng)作真實(shí)值。絕對誤差表示自動與人工觀測之間差異的指標(biāo)，能反映偏離真實(shí)值的實(shí)際大小。設(shè)Ui為第i次人工觀測值,Ai為第i次自動站觀測值, 則第i次的絕對誤差為：

Δi= |Ai-Ui|

(2)

4.2 相對誤差

相對誤差是絕對誤差除以人工觀測值，設(shè)Ui為第i次人工觀測值,Ai為第i次自動站觀測值, 則第i次的相對誤差為：

Xi=(|Ai-Ui|/Ui)×100%

(3)

4.3 一致性分析[8]

一致率是在同步測驗期間，人工與自動觀測數(shù)據(jù)相一致的指標(biāo)，即同步測驗內(nèi)人工、自動水面蒸發(fā)比測絕對誤差小于1.0 mm的天數(shù)占總有效觀測天數(shù)的百分比。設(shè)Y為自動與人工水面蒸發(fā)觀測一致率%，y為自動與人工水面蒸發(fā)觀測絕對誤差小于1.00 mm的天數(shù)，P總為自動或人工水面蒸發(fā)觀測總有效天數(shù)。

Y=(y/P總)×100%

(1)

5 比測數(shù)據(jù)分析

5.1 日蒸發(fā)量分析

將官良水文站2020年10月1日到2021年3月31日的蒸發(fā)資料進(jìn)行統(tǒng)計分析[9]，一共181 d數(shù)據(jù)，其中2020年12月30日由于人工清洗蒸發(fā)器誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，此日數(shù)據(jù)僅統(tǒng)計，不參與誤差分析。比測期間，人工觀測數(shù)據(jù)與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相減運(yùn)算統(tǒng)計，得出官良水文站自動與人工觀測蒸發(fā)量絕對誤差分布(見表1)。

表1 官良水文站自動與人工觀測蒸發(fā)量絕對誤差分布

根據(jù)表1可知，人工和自動水面蒸發(fā)比測數(shù)據(jù)的絕對誤差主要在0～0.2 mm之間，其中絕對誤差為0.1 mm的天數(shù)居多，天數(shù)百分比占27.1%；絕對誤差為0.2 mm次之，天數(shù)百分比占26.0%；0差值的天數(shù)為29 d，天數(shù)百分比占16.0%。絕對誤差在0～0.5 mm之間的天數(shù)百分比占90.6%，絕對誤差在0.5～1.0 mm之間的天數(shù)百分比占8.3%，絕對誤差大于1.0 mm的天數(shù)百分比僅占1.1%。

根據(jù)廣東省水文局印發(fā)的《蒸發(fā)自動觀測儀器使用指引》的相關(guān)規(guī)定，日蒸發(fā)量誤差分析分為有降雨日蒸發(fā)量、無降雨日蒸發(fā)量兩種情況進(jìn)行誤差分析。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出官良水文站有降雨逐日蒸發(fā)量絕對誤差頻率統(tǒng)計(見表2)和無降雨逐日蒸發(fā)量絕對誤差頻率統(tǒng)計(見表3) 。

表2 有降雨逐日蒸發(fā)量絕對誤差頻率統(tǒng)計

表3 無降雨逐日蒸發(fā)量絕對誤差頻率統(tǒng)計

根據(jù)表2可知，2020年10月1日至2021年3月31日共有26 d出現(xiàn)降雨。在降雨情況下，自動與人工觀測蒸發(fā)量絕對誤差最小為0 mm(出現(xiàn)4 d)，最大為1.2 mm(出現(xiàn)1 d)。在26組數(shù)據(jù)里，絕對誤差為0.2 mm出現(xiàn)次數(shù)最多，共7 d；次之，絕對誤差為0.1 mm出現(xiàn)6次。經(jīng)統(tǒng)計分析可知，在有降雨情況下日蒸發(fā)量絕對誤差小于等于1.0 mm的頻率為96.2%。

根據(jù)表3可知，2020年10月1日至2021年3月31日一共有155 d無降雨。在無降雨情況下，自動與人工觀測蒸發(fā)量絕對誤差最小為0 mm(出現(xiàn) 25 d)，最大為1.2 mm(出現(xiàn)1 d)。在155組數(shù)據(jù)里，絕對誤差為0.1 mm出現(xiàn)次數(shù)最多，共43 d；次之，絕對誤差為0.2 mm出現(xiàn)40次。經(jīng)統(tǒng)計分析可知，在無降雨情況下日蒸發(fā)量絕對誤差小于等于1.0 mm的頻率為99.4%。

5.2 旬蒸發(fā)量分析[10]

經(jīng)過18組旬蒸發(fā)量對比分析(見表4)，旬蒸發(fā)量絕對誤差最大是3.1 mm(2020年10月下旬)，最小是0.1 mm(2021年3月下旬)；2020年10月上旬到2021年1月下旬的旬蒸發(fā)量絕對誤差在1.0～3.1 mm范圍之間，2021年2月上旬到3月下旬旬蒸發(fā)量絕對誤差都少于1.0 mm。旬蒸發(fā)量相對誤差最大是10.4%(2020年10月下旬)，最小是0.4 mm(2021年3月下旬)；旬蒸發(fā)量相對誤差大于10%的只有2020年10月下旬，其他各旬蒸發(fā)量相對誤差都小于10%。

表4 官良水文站自動與人工觀測旬蒸發(fā)量對照分析

5.3 月蒸發(fā)量分析

經(jīng)過6組自動與人工觀測月蒸發(fā)量對比分析(見表5)，月蒸發(fā)量絕對誤差最大值為7.1 mm(2020年10月)，最小值為0.5 mm(2021年2月)。月蒸發(fā)量相對誤差都小于100%，其中最大的相對誤差為8.0%(2020年10月)，最小的相對誤差為0.8%(2021年2月)。

表5 官良水文站自動與人工觀測月蒸發(fā)量對照分析

5.4 人工與自動蒸發(fā)觀測一致率分析

官良水文站統(tǒng)計2020年10月至2021年3月的人工與自動蒸發(fā)觀測值絕對誤差小于1.0 mm的天數(shù)、計算月一致率[11]見表6。

表6 官良水文站人工與自動蒸發(fā)觀測一致率分析

由表6數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，官良水文站人工與自動蒸發(fā)觀測值的月一致率最高為2020年的12月和2021年的2月、3月，一致率均達(dá)到100%。最低的月一致率為96.8%，分別為2020年10月和2021年1月?？傆^測有效天數(shù)為181 d(其中2020年12月30日由于誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，此日僅統(tǒng)計，不參與誤差分析)，日蒸發(fā)量絕對誤差小于0.1 mm 天數(shù)有178 d，一致率為98.3%。

6 誤差成因分析

通過181組自動與人工觀測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)對比，總結(jié)造成誤差的原因如下。

1) 降水誤差：觀測時遇有雨滴降落到蒸發(fā)桶，水面產(chǎn)生波動，由此造成觀測誤差；或者溢流測量過程中產(chǎn)生的誤差。

2) 風(fēng)力誤差：風(fēng)速大小會導(dǎo)致水面波動，造成蒸發(fā)桶水位有不同程度的波動。所以風(fēng)力大小與誤差產(chǎn)生存在一定關(guān)系。

3) 儀器誤差：蒸發(fā)測針長期使用導(dǎo)致針尖磨鈍，從而影響測針的接觸靈敏度；自動水面監(jiān)測系統(tǒng)的測量傳感器由于長期未清洗，因水質(zhì)原因累積在浮球的雜質(zhì)影響測量的精度和水位識別分辨力。

4) 人工估讀誤差：當(dāng)遇到強(qiáng)降雨天氣時，人工觀測會視情況而增加觀測次數(shù)，每次觀測都含有誤差的幾率，觀測次數(shù)增加，誤差的可能性也會隨之增大；自動水面蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)是持續(xù)監(jiān)測蒸發(fā)桶水位變化過程的，某一時間節(jié)點(diǎn)由于其他原因造成的測量誤差不會影響到日蒸發(fā)量，而人工觀測是每日8時這個時間節(jié)點(diǎn)的測量，如果當(dāng)日的人工測量估讀出錯，日蒸發(fā)量比測就會有較大的絕對誤差。

5) 其他原因誤差：如比測的兩個蒸發(fā)桶其中一個被小狗舔水，或者由于大風(fēng)把落葉刮到一個蒸發(fā)桶里面，由這些特殊因素造成誤差。

7 結(jié)語

通過官良水文站2020年10月至2021年3月的水面蒸發(fā)比測分析可知，有降雨逐日蒸發(fā)量比測絕對誤差小于等于1 mm的頻率為96.2%，無降雨逐日蒸發(fā)量比測絕對誤差小于等于1 mm的頻率為99.4%。旬蒸發(fā)量比測絕對誤差均值為1.2 mm，相對誤差均值為5.0 %，月蒸發(fā)量比測相對誤差最大值為8.0%，最小值為0.8%。自動與人工觀測一致率分析最大值為100%，最小值為96.7%。

依據(jù)廣東省水文局印發(fā)的《蒸發(fā)自動觀測儀器使用指引》[12]的規(guī)定：有降雨情況下的日蒸發(fā)量合格率不小于85%，無降雨情況下的日蒸發(fā)量合格率不小于90%，單月蒸發(fā)總量的相對誤差不超過±8%。由此可見，官良水文站自動與人工觀測蒸發(fā)量比測的各項指標(biāo)均合格，可以投入使用。