南寬坪水文站FFZ-01Z型自動水面蒸發(fā)器使用對比分析

張繼輝，廉 波，趙文旭

（陜西省商洛水文水資源勘測局，陜西 商洛 726000）

1 前言

蒸發(fā)量的研究不僅在水量平衡中占有重要地位,而且對氣候變化及水資源利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有極其重要意義。蒸發(fā)量觀測項目實現(xiàn)自動化對開展水文巡測，減輕職工勞動強(qiáng)度、提高工作效率、改善一線職工生活條件很有必要。商洛水文局2016年引進(jìn)FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)儀器，2016年4月份安裝于南寬坪水文站，2016年5月開始與人工觀測同步，進(jìn)行對比試驗研究，為開展水文巡測工作打下基礎(chǔ)。

2 測站概況

2.1 測站簡介

南寬坪水文站設(shè)于1959年1月，位于商洛市山陽縣南寬坪鎮(zhèn)，屬于長江流域漢江上游水系金錢河，集水面積3936 km2，該站是漢江北岸區(qū)域代表站，同時也是金錢河流域的控制站，省界水質(zhì)斷面監(jiān)測站。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性半濕潤氣候，底熱氣候區(qū)；平均海拔500～800 m，最高1727 m，年平均氣溫14.8°～17.1°，多年平均降雨量785.4 mm。本站已經(jīng)積累了58年人工觀測蒸發(fā)資料，其觀測資料連續(xù)、完整。資料自建站至2015年，非汛期1、2、11、12月應(yīng)用20 mm蒸發(fā)皿觀測，3～10月采用80套盆觀測，2015年以后應(yīng)用E601蒸發(fā)器。

2.2 試驗場地概況

分析試驗場地為南寬坪水文站氣象觀測場內(nèi)，距金錢河2.5 km，氣象場為16 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，觀測場附近的丘崗、建筑物、樹木等遮擋物所造成的遮擋率小于25%；場地平整、清潔、無積水，地面種植草坪，場地四周設(shè)置有20 cm高的不銹鋼護(hù)欄，場地內(nèi)儀器布設(shè)南北向小于3 m，東西向大于4m，與柵欄距離小于3 m，依據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》SL 630-2013第2頁蒸發(fā)觀測場的設(shè)置布設(shè)[1]。

3 FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器主要特點及技術(shù)指標(biāo)

FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器系自動蒸發(fā)器，可實現(xiàn)有人看管、無人值守，數(shù)據(jù)自動采集、存儲、遠(yuǎn)傳的特點，可解放勞動力、滿足巡測要求。FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器采用計算機(jī)和采集器進(jìn)行連接，通過RS485口和計算機(jī)相連接進(jìn)行實時采集數(shù)據(jù)，計算機(jī)記錄顯示蒸發(fā)傳感器值、蒸發(fā)值、雨量值、雨量累加值和溢流量累加值，并且能夠顯示各種狀態(tài)。連接數(shù)傳通信機(jī)（RTU），利用系統(tǒng)配套的應(yīng)用軟件可以實現(xiàn)水面蒸發(fā)過程信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測及資料整編入庫。采用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)報表生成。通過計算機(jī)可以修改各設(shè)備通信地址，標(biāo)定時間和標(biāo)定日分界。

自動蒸發(fā)溢流量精度0.01 mm，自動雨量分辨率0.1 mm，自動蒸發(fā)量記錄精度0.1 mm，蒸發(fā)感量0.1 mm。

FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器的監(jiān)測過程可簡化表示為：

式中：QF為水面蒸發(fā)量，mm；Wt為測量時刻（t）的蒸發(fā)桶水位，mm；W0為起算時刻的蒸發(fā)桶水位，mm；Wt、W0值由 FFZ-01 型數(shù)字水面蒸發(fā)計自動測量；Qj為被測時段內(nèi)的降水量，Qj值由JFZ-01型數(shù)字雨量計提供，mm；Qy為被測時段內(nèi)的溢流量，Qy值由測井自動測量，mm。

4 比測試驗

4.1 比測目的

為開展水文巡測工作，解決蒸發(fā)量觀測項目自動采集，商洛水文局引進(jìn)FFZ-01Z型自動水面蒸發(fā)器，通過人工觀測數(shù)據(jù)與該自動水面蒸發(fā)器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，了解該自動蒸發(fā)器使用的可靠性，穩(wěn)定性，適用范圍。

4.2 比測方法

FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器應(yīng)嚴(yán)格按照《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》SL630-2013中第6頁，蒸發(fā)器的安裝要求執(zhí)行。調(diào)試儀器，清洗換水后應(yīng)對儀器精度按照無降雨，有降雨、無溢流，有降雨、有溢流，分別進(jìn)行蒸發(fā)準(zhǔn)確度檢驗、降雨期間蒸發(fā)誤差的檢驗、蒸發(fā)靈敏度檢驗和通訊傳輸檢驗。檢驗要求蒸發(fā)桶水位在700～900 mm之間進(jìn)行。

每日早8：00進(jìn)行人工觀測，同時記錄人工與自動蒸發(fā)器狀況，每日18：00對蒸發(fā)場進(jìn)行巡查，觀察儀器運行狀況；當(dāng)清洗、換水、通訊故障應(yīng)對故障原因，發(fā)生時間，解決辦法予以詳細(xì)記錄。

獲取數(shù)據(jù)后將自動蒸發(fā)數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)按日、月蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)分析、誤差分析，論證儀器適用性。

5 資料分析

采集2016年5月至2017年10月，F(xiàn)FZ-01Z型數(shù)字蒸發(fā)器記錄的數(shù)據(jù)，整理相應(yīng)日、月人工觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行比對分析。經(jīng)統(tǒng)計獲取了18個月，549組日蒸發(fā)值數(shù)據(jù)資料。觀測時段內(nèi)無冰凍、數(shù)據(jù)真實可靠。

5.1 日蒸發(fā)數(shù)據(jù)對比分析

對獲取的549組自動蒸發(fā)器日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)與人工觀測的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，絕對誤差超過1 mm的僅有13組，占統(tǒng)計數(shù)量的2.4%。（見表1）。

表1 自動蒸發(fā)器～人工觀測日蒸發(fā)量絕對誤差分析表

兩組數(shù)據(jù)建立相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)0.9496，說明兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性較強(qiáng)（見附圖2：自動～人工蒸發(fā)器日蒸發(fā)量相關(guān)關(guān)系圖）。

圖2 自動～人工蒸發(fā)器日蒸發(fā)量相關(guān)關(guān)系圖

5.2 月蒸發(fā)數(shù)據(jù)對比分析

表2 自動蒸發(fā)器～人工觀測月蒸發(fā)量分析表

兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.9965，說明兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性較強(qiáng)（見圖3）。

圖3 自動蒸發(fā)～人工觀測月蒸發(fā)量相關(guān)圖

6 誤差評定

6.1 日觀測值誤差評定

通過FFZ-01Z型自動水面蒸器在南寬坪水文站2016年5月～2017年10月，共18個月使用，共取得人工與自記對比測量日蒸發(fā)值549對，由于現(xiàn)行蒸發(fā)規(guī)范沒有對蒸發(fā)觀測不確定度說明，本次評定參照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》GB T 50138-2010中第66頁附錄E，對FFZ-01Z型自動水面蒸器與人工蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度評定[2]。

（1）系統(tǒng)不確定度

（2）隨機(jī)不確定度

（3）綜合不確定度

式中：Pyi為自動蒸發(fā)站觀測數(shù)據(jù),單位：mm；Pi為人工觀測動蒸數(shù)據(jù)，單位：mm；N為采集樣本的數(shù)據(jù)個數(shù)。

經(jīng)計算：系統(tǒng)不確定度Xy′=-0.135 mm

隨機(jī)不確定度：Xy"=0.64 mm

綜合不確定度：XZ=0.65 mm

按照置信水平95%，人工觀測日蒸發(fā)值綜合不確定度標(biāo)準(zhǔn)定為0.4 mm；置信水平95%，自動蒸發(fā)器測量日蒸發(fā)值綜合不確定度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為0.5 mm，自動蒸發(fā)器日測量值系統(tǒng)不確定度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為0.1 mm。

人工觀測與自動蒸發(fā)器二者測量值相對比評定，置信水平95%綜合不確定度應(yīng)為0.65 mm≈0.64 mm，說明該自動蒸發(fā)器日蒸發(fā)量值精度滿足要求。

6.2 月年觀測值誤差評定

2016年蒸發(fā)量人工與自動誤差為5%；2017年蒸發(fā)量人工與自動誤差6%，自動量偏小于人工量，在7%誤差內(nèi)。

試驗18個月中，月蒸發(fā)量人工與自動對比誤差大于10%有1月，大于7%有3個月，平均誤差在4%；16個月人工量大于自動量，2個月人工量小于自動量。自動蒸發(fā)量小于人工量，汛期誤差小于非汛期。

7 結(jié)論及建議

（1）通過對比分析，自動站與人工觀測數(shù)據(jù)關(guān)系很好，日觀測值數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為K=0.95，94.6%日蒸發(fā)量滿足精度要求；月年累計蒸發(fā)量誤差約在6%以內(nèi)。FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器可以應(yīng)用自動監(jiān)測，精度基本滿足要求。

（2）本自動蒸發(fā)器測量值有系統(tǒng)偏差值約為-0.1 mm,建議調(diào)整參數(shù)設(shè)置，作系統(tǒng)修正，其自動蒸發(fā)器測量值精度會進(jìn)一步提高。

（3）對于結(jié)冰期或故障日，一是繪制區(qū)域日蒸發(fā)量等值線圖進(jìn)行插補；二是發(fā)現(xiàn)故障及時恢復(fù)人工監(jiān)測，確保全年資料完整可靠。

[1]SL 630-2013，水面蒸發(fā)觀測規(guī)范[S].

[2]GB/T 50138-2010,水位觀測標(biāo)準(zhǔn)[S].