自動蒸發(fā)水面高度測量檢查和評定方法探討

劉鐵林，匡 剛，歐陽欣欣

（1.江西省水文監(jiān)測中心，江西 南昌，330000；2.修河水文水資源監(jiān)測中心，江西 九江，332000；3.贛江下游水文水資源監(jiān)測中心，江西 宜春，336000）

0 引言

水面蒸發(fā)資料是防汛抗旱的水文預(yù)測預(yù)報、水資源評價分析、水生態(tài)保護與修復(fù)等重要的基礎(chǔ)資料，其資料準確與否十分重要，現(xiàn)行《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）[1]明確規(guī)定，水面蒸發(fā)觀測標準儀器為E601-B型，采用測針進行觀測水面高度應(yīng)讀至0.1mm、兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm，溢流量測量精度應(yīng)達到0.1mm。隨著科技高速發(fā)展，光電編碼[2]和磁致伸縮[3]等技術(shù)在水面蒸發(fā)自動監(jiān)測中得到應(yīng)用，國內(nèi)外很多專家學(xué)者進行了大量的自動蒸發(fā)與人工比測試驗研究工作[4，5]，為水面蒸發(fā)新技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用作出了重要貢獻，但對水面蒸發(fā)自動監(jiān)測水面高度測量精度野外檢查和評定并未進行專門研究。2012年以來，江西省水文局陸續(xù)新建了40余處水面自動蒸發(fā)監(jiān)測站，就不同型號儀器設(shè)備開展了大量的比測和試驗研究工作，總結(jié)了一些設(shè)備檢查維護經(jīng)驗和檢定方法。本論文主要以高沙水文站為例，通過人工模擬水面蒸發(fā)值與自動觀測蒸發(fā)值的試驗和誤差分析，對水面高度測量傳感器的安裝、測量精度等進行綜合評定，探索水面蒸發(fā)自動監(jiān)測水面高度測量精度野外檢查和評定的方法，以供水文工作者參考。

1 基本情況

1.1 研究場所概況

高沙水文站位于江西省九江市修水縣四都鎮(zhèn)高沙村，東經(jīng) 114°35′，北緯 29°04′，2010 年起開始采用E601-B標準蒸發(fā)器人工觀測水面蒸發(fā)。觀測場地尺寸為12m×12m，遮擋率為5%，場地內(nèi)安裝有雨量器、翻斗式雨量計、水面蒸發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)、岸溫計、氣象百葉箱等設(shè)備，場地環(huán)境和儀器設(shè)備布設(shè)等符合《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）要求。2016年引進了水面蒸發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)，其水面高度測量主要采用光電軸角編碼技術(shù)，該技術(shù)具有高精度、低轉(zhuǎn)矩、性能穩(wěn)定等特點，是目前江西省水面蒸發(fā)自動監(jiān)測技術(shù)中水面高度測量應(yīng)用最多的傳感技術(shù)，選擇該站進行試驗研究具有典型代表意義。經(jīng)近年來的野外比測試驗研究和完善改進，該站水面蒸發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度滿足規(guī)范要求，資料質(zhì)量可靠且已納入資料整編。

1.2 設(shè)備簡介

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成及功能

高沙水文站水面蒸發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)由E601-B型蒸發(fā)器、靜水桶、雨量計、補水裝置、控制閥、控制箱（控制系統(tǒng)）、供電系統(tǒng)和RTU等主要部件組成，結(jié)構(gòu)組成詳見圖1，安裝布局見圖2。該系統(tǒng)具有自動控制溢流和補水控制等功能，可實現(xiàn)蒸發(fā)器水面高度、降水量、溢流量、水面蒸發(fā)量自動采集、傳輸、處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場存儲并通過RTU傳輸至中心平臺。其中，光電式軸角編碼器為蒸發(fā)器水面高度測量核心部件，屬于絕對值型非接觸式編碼器，由扇形全金屬碼盤、微型光電開關(guān)、IC芯片、主軸、軸承、精密傳動齒輪系、輸出線纜、金屬殼體等組成，測量原理為：通過扇形全碼盤的旋轉(zhuǎn)，由微型光電開關(guān)讀取碼盤形成編碼數(shù)據(jù)。

圖1 水面蒸發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 水面蒸發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝平面圖

1.2.2 系統(tǒng)原理

1.2.2.1 補水機制

無降水日時，采集器自動采集蒸發(fā)器水面高度計算蒸發(fā)量。當蒸發(fā)器水面高度降至補水線（儀器顯示值小于70）時，在觀測日分界時刻（8：00）控制補水泵進行補水至水面高度標志線（儀器顯示值80左右），待水面穩(wěn)定后采集水面高度，作為下一時段的蒸發(fā)量起算點。

1.2.2.2 溢流機制

在降水日，當蒸發(fā)器水面高度升高至溢流線時（儀器顯示值大于90），采集器驅(qū)動電磁閥門關(guān)閉，采集記錄此刻的水面高度后，啟動溢流泵排出靜水桶內(nèi)的水，當靜水桶內(nèi)的水面高度下降到一定高度時，溢流泵停止工作，再次采集記錄水面高度，并計算此次排水的水面高度差，根據(jù)靜水桶的橫截面積計算出此次的溢流量，采集器再打開電磁閥等待下次溢流，直至儀器顯示值約等于80為止。

1.2.2.3 蒸發(fā)器與靜水桶之間的關(guān)系

靜水桶與蒸發(fā)器之間采用連通管相連。靜水桶和蒸發(fā)器埋設(shè)深度均為40cm，連通管水平安裝，管徑為5cm，水面表面張力影響可忽略不計，靜水桶內(nèi)有浮子式水位計（光電式軸角編碼），根據(jù)連通管原理，靜水桶可代表蒸發(fā)器水位。蒸發(fā)器與靜水桶的截面積比為10：1，蒸發(fā)器蒸發(fā)水量與靜水桶測量水位變幅換算系數(shù)為1.1，即：當E601-B型蒸發(fā)器的水面變化1.0mm相當于實際蒸發(fā)量1.1mm。

1.2.2.4 水面蒸發(fā)量計算

根據(jù)補水機制和溢流機制，該系統(tǒng)水面蒸發(fā)計算方法和原理符合《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）要求，詳見式（1）：

式中：E為水面蒸發(fā)量，mm；P為被測時段內(nèi)的降水量，mm；h1為測量t時刻的蒸發(fā)器水面高度，mm；h2為起算時刻的蒸發(fā)器水面高度，mm；h溢為被測時段內(nèi)的溢流量，mm。

2 檢查方法探討

從公式（1）和溢流量測定機制可知，水面蒸發(fā)量觀測準確性關(guān)鍵取決于降水量和水面高度測量的精度。雨量計安裝調(diào)試試驗方法可參考《降水量觀測規(guī)范》（SL21-2015）[6]執(zhí)行，本文著重討論水面高度測量精度的野外檢查和評定方法，主要從其精密度、正確度和準確度等方面進行評定[7]。水面蒸發(fā)是一個漸變發(fā)生過程，利用天然水面蒸發(fā)過程進行水面高度測量精度試驗耗時長、操作性差，為提高野外試驗時效性和可操作性，擬采用從蒸發(fā)器中取水的方式模擬水面蒸發(fā)過程的水面高度變化量，對儀器的水面高度測量精度進行檢查和評定，現(xiàn)就檢查器具選定、取水模擬蒸發(fā)方法、步驟和誤差計算評定等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行探討。

2.1 器具選定

現(xiàn)行《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）明確規(guī)定，水面蒸發(fā)觀測標準儀器為E601-B型，采用測針進行觀測水面高度應(yīng)讀至0.1mm、兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm，溢流量測量精度應(yīng)達到0.1mm。作為水面高度測量精度評定的標準值，模擬水面蒸發(fā)量應(yīng)近似真值，其測量精度應(yīng)比蒸發(fā)測針測量精度（讀數(shù)分辨率0.1mm）最少高一個量級。在試驗中應(yīng)采用標準計量器具作為雨量觀測標準器具，本研究采用水文部門量雨杯作為取水模擬蒸發(fā)量的計量器具。

量雨杯最小刻度為0.1mm，即最大讀數(shù)誤差為0.1mm，換算體積誤差為3.14ml，折合E601蒸發(fā)器的水面高度變化量為0.01mm，比水面蒸發(fā)測針的讀數(shù)誤差0.1mm高一個量級。按照水質(zhì)分析的容積量測操作要求，以鑒定后的 10ml、20ml、50ml、100ml等不同量程的水質(zhì)分析計量器具為準，對量雨杯的量積誤差情況進行檢查。檢查結(jié)果表明：量雨杯量積隨機誤差約為±0.3ml，折合E601-B蒸發(fā)器的水面高度變化量為0.01mm，遠小于量雨杯最小刻度0.1mm折合的水量體積（3.14ml）；但系統(tǒng)誤差約為-0.3ml/10mm（量雨杯內(nèi)壁殘留水滴損失所致），折合E601-B蒸發(fā)器的水面高度變化量為-0.01mm，將導(dǎo)致取水模擬蒸發(fā)量偏少約0.1%。因此，選用量雨杯作為模擬水面蒸發(fā)取水的計量器具是可行的。同時應(yīng)準備水勺、洗耳球或移液管、水桶等用具。

2.2 取水模擬蒸發(fā)分析

從蒸發(fā)器中取水的方式模擬水面蒸發(fā)過程的水面高度變化量，應(yīng)能滿足水面高度測量精密度、正確度和準確度的精度評定要求，并應(yīng)考慮野外試驗環(huán)境影響、工作量和可操作性等方面。就滿足精度評定要求而言，每次宜以0.1mm蒸發(fā)量取水并全量程覆蓋最高和最低水面高度變幅（達20mm），需取水200次，按每次取水后需等待采集器與蒸發(fā)器的水面高度保持一致方可采集水面高度（約需1min）計，整個試驗時間達200min。該方法模擬蒸發(fā)過程耗時過長，很有可能因蒸發(fā)量損失（尤其是夏季）反而影響精度試驗結(jié)果，可操作性差。為減少因蒸發(fā)損失帶來誤差（夏季日蒸發(fā)量可達10mm或以上），野外試驗不宜超過1小時。綜合考慮水面高度測量精度評定需要和試驗期間蒸發(fā)損失等因素，確立取水模擬蒸發(fā)原則為：以1.0mm均勻分布并適當重復(fù)0.1mm、0.2mm、0.5mm不同量級，詳見表1第5列。

表1 高沙站自動蒸發(fā)水面高度觀測精度試驗記錄表

為減少量雨杯量積誤差，取水過程宜采用讀取累積取水量的方法，其對應(yīng)的累積取水量（蒸發(fā)量深度）分別為：0.1mm，0.2mm…22.0mm（詳見表1第3列）。E601-B蒸發(fā)器口面積為3 000cm2，雨量器器口面積為314cm2；折合成量雨杯的量測讀數(shù)詳見表1第2列，其換算關(guān)系見式（2）；

式中：E取為量雨杯取水讀數(shù)，mm；E模為模擬蒸發(fā)量（人工取水量折合成蒸發(fā)值），mm。

2.3 試驗步驟

為避免風(fēng)力、降水的影響和減少蒸發(fā)損失，水面高度測量精度野外檢查宜在無降水的早晨或傍晚、風(fēng)速較小的時候進行。根據(jù)野外試驗積累的經(jīng)驗，確定取水檢查步驟如下：

（1）清洗量雨杯、水勺、水桶、洗耳球或移液管等器具；

（2）檢查儀器設(shè)備運行是否正常、連通管道是否漏水，進入儀器設(shè)備測試狀態(tài)或清洗模式；

（3）向蒸發(fā)器緩慢加水至接近溢流線時為止，待蒸發(fā)器與靜水桶水面高度一致（儀器顯示值穩(wěn)定），記錄儀器顯示水面高度（初始值）；

（4）利用水勺、洗耳球或移液管、雨量杯，按照表1第3列依次從蒸發(fā)器累積取出水量，每次取出水量后，待蒸發(fā)器與靜水桶水面高度一致（儀器顯示值穩(wěn)定），分別記錄儀器顯示水面高度和實際取出水量；為減少量雨杯讀數(shù)帶來的累積誤差，宜采用讀取累積取水量的方法，每當量雨杯量取水量達10mm，全部倒入水桶中（要注意盡量減少量雨杯掛壁水滴的損失和水量散失）；

（5）整個取水和測記過程結(jié)束后，將水桶中取出的水全部緩慢倒回蒸發(fā)器內(nèi)，待蒸發(fā)器與靜水桶水面高度一致（儀器顯示值穩(wěn)定），再次記錄儀器顯示水面高度，檢查水面高度記錄是否與初始值一致；

（6）取出蒸發(fā)器內(nèi)水量至水面高度標志線（儀器顯示值80左右），退出儀器設(shè)備測試狀態(tài)或清洗模式，進入日常觀測模式；

（7）器具歸位，試驗結(jié)束。

2.4 誤差計算方法

對水面蒸發(fā)水面高度自動測量的精密度、正確度和準確度以及人工與自動觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)比對分析等方面進行評定，需計算絕對誤差[8]、平均絕對誤差和綜合不確定度等，計算公式和方法如下：

（1）絕對誤差：測量值與真實值之差，即自動水面蒸發(fā)觀測值與人工取出水量折合成蒸發(fā)值之差，如式（3）：

式中：△t為絕對誤差，mm；E自動為水面蒸發(fā)自動觀測蒸發(fā)量，mm；E模為模擬蒸發(fā)量（人工取水量折合成蒸發(fā)值），mm。

（2）平均絕對誤差：絕對誤差累計值除以試驗次數(shù)，如式（4）：

式中：α為平均絕對誤差，mm；其余符號意義同前。

（3）綜合不確定度：觀測不確定度按2倍的觀測標準差計算，如式（5）和（6）：

式中：Se為觀測標準差，mm；δ為綜合不確定度，mm；其余符號意義同前。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗數(shù)據(jù)

選擇一個無雨日早晨，按照確立的試驗步驟和誤差計算方法進行三次試驗，統(tǒng)計計算各項誤差，第一次試驗記錄見表1，三次試驗成果匯總見表2。

表2 高沙站自動蒸發(fā)水面高度觀測精度試驗成果匯總表

3.2 精度評定與討論

根據(jù)水文測驗誤差分析理論，精度評定擬從精密度、正確度、準確度三個方面進行分析評定。

3.2.1 精密度評定與討論

精密度是反應(yīng)蒸發(fā)器水面高度測量結(jié)果隨機誤差大小的程度。水面蒸發(fā)和水面高度測量傳感技術(shù)精密度不僅取決于讀數(shù)分辨力，同時還受水的張力和傳感部件的機械阻力等綜合影響，擬從儀器的靈敏度和絕對誤差變幅兩個方面進行分析，因蒸發(fā)量較小，不采用相對誤差進行分析。

（1）從表1試驗數(shù)據(jù)可知，5次重復(fù)量取0.1mm蒸發(fā)量進行試驗，蒸發(fā)器自記水面高度相應(yīng)變化量為0.1mm，說明其靈敏度與儀器分辨率一致，根據(jù)現(xiàn)行《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（L630-2013）“采用測針進行觀測水面高度應(yīng)讀至0.1mm”的要求，該儀器水面高度測量靈敏度符合要求。

（2）從 0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm 不同量程的重復(fù)試驗結(jié)果來看，其絕對誤差變幅為-0.1～0.1mm，根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）“采用測針進行觀測水面高度兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm”的要求，該儀器水面高度測量隨機誤差規(guī)范符合要求。

3.2.2 正確度評定與討論

正確度是反應(yīng)水面高度測量結(jié)果系統(tǒng)誤差大小的程度，擬采用的平均絕對誤差（絕對誤差累計值/取水次數(shù)）和累計相對誤差（絕對誤差累計值/取水總量）進行評定。從表1可知，平均絕對誤差為-0.006mm，累計相對誤差為-0.9%（其中含試驗過程中量雨杯內(nèi)壁殘留水滴損失約偏小0.1%），儀器水面高度測量值系統(tǒng)略偏小。《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）對水面高度測量正確度評定未明確規(guī)定，擬以“采用測針進行觀測水面高度兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm”作為評定依據(jù)，該儀器水面高度測量正確度符合要求。

3.2.3 準確度評定與討論

準確度是反應(yīng)水面高度測量系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合誤差大小的程度，表示測量值與真值的一致程度，擬以隨機誤差和系統(tǒng)誤差的綜合不確定度進行評定。從表1可知，本次試驗綜合不確定度為0.05mm，《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）對水面高度測量準確度評定未明確規(guī)定，擬以“采用測針進行觀測水面高度兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm”作為評定依據(jù)，該儀器水面高度測量準確度符合要求。

4 結(jié)論

通過本文分析研究，水面蒸發(fā)自動監(jiān)測技術(shù)水面高度測量精度野外檢查和評定非常有必要，是檢查和判別水面蒸發(fā)自動監(jiān)測儀器設(shè)備安裝調(diào)試是否符合規(guī)范要求重要的方法和依據(jù)。本文提出的水面蒸發(fā)自動監(jiān)測技術(shù)水面高度測量精度野外檢查和評定的理論依據(jù)充分、方法可行，可供其他類似水面蒸發(fā)自動監(jiān)測儀器設(shè)備水面高度測量精度試驗參考，主要結(jié)論如下：

（1）通過水面高度測量精度野外試驗和評定，可知高沙站水面蒸發(fā)自動監(jiān)測系統(tǒng)水面高度測量精度符合規(guī)范要求。

（2）雨量杯的量積誤差精度比《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）規(guī)定的蒸發(fā)測針測量精度高一個量級，可作為模擬蒸發(fā)取水量積的器具。

（3）本文提供的水面高度測量精度野外檢查方法和步驟，綜合考慮了滿足水面高度測量精度評定的需要、試驗期間蒸發(fā)損失和取水量積誤差等因素，取水模擬蒸發(fā)的方法和試驗步驟具有可操作性和參考價值。

（4）水面蒸發(fā)自動監(jiān)測技術(shù)水面高度測量的精密度、正確度和準確度等評定方法理論依據(jù)充分，符合水文測驗誤差評定要求。

5 建議

（1）受場地環(huán)境、降水、風(fēng)沙、儀器性能、安裝方式等因素影響，影響水面蒸發(fā)觀測因素較多，本文僅對水面蒸發(fā)自動監(jiān)測技術(shù)的水面高度測量精度誤差進行了試驗研究，建議進一步對影響水面蒸發(fā)觀測的降水誤差、風(fēng)沙誤差、濺水誤差等進行試驗研究。

（2）為大力推動現(xiàn)代化技術(shù)在水面蒸發(fā)監(jiān)測的應(yīng)用，建議對現(xiàn)行的《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）進行進一步補充和完善，明確水面蒸發(fā)自動監(jiān)測技術(shù)水面高度測量精度野外檢查和評定的方法、步驟和評定指標。