全自動水面蒸發監測系統在官良水文站的應用分析

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及蒸發能力在不同地區和時間上的變化規律，為水文氣象預報、防災減災、水資源評價、水文模型確定等方面提供技術支撐。傳統的水面蒸發觀測方法是人工每日北京時間8:00觀測1次，結合輔助降雨觀測，計算每日水面蒸發量。采用全自動水面蒸發監測系統進行水面蒸發量觀測是實現水文現代化和水文監測自動化的必經之路。

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，擔負著水位、流量、泥沙、水質、降水和蒸發測驗工作任務。其中，水面蒸發觀測啟用于2016年1月1日[2]，依據歷年蒸發觀測資料可知，官良水文站年蒸發量在787.5～1 032.5 mm之間，日蒸發量最小值為0 mm，日蒸發量最大值為6.7 mm。

2 全自動水面蒸發監測系統結構組成及原理

2.1 系統結構

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

圖1 全自動水面蒸發監測系統組成示意

2.2 測量原理與計算公式

測量數據的準確可靠是整個系統的基礎和重點，全自動水面蒸發監測系統采用最先進的磁致伸縮傳感器進行測量[3]。磁致伸縮傳感器由波導管、電子倉和1只可移動的永磁鐵(圓柱狀浮球)組成。當水位發生升降變化時，浮球沿著波導管在水面發生相應的升降位移。該系統設定每5 min自動采集1次水位數據，即電子倉每5 min自動發射1個起始脈沖，電子脈沖在波導管上傳輸形成一個徑向的磁場。當徑向磁場與永磁鐵產生的縱向磁場相遇時，就會出現磁致伸縮現象，產生波導扭曲，形成1個磁致旋轉波，并傳輸回到電子倉。由發射到接受2個脈沖的時間差，可知磁致旋轉波的傳播速度，能夠精準測出浮球的位移和水面高度。

全自動水面蒸發監測系統計算公式為[4]：

E=P+(h1-h2)+∑h補-∑h取(汲)×Ke

(1)

式中：

E——日水面蒸發量,mm；

P——日降水量,mm；

h1——上次(前日)蒸發器水位高度；

h2——本次(當日)蒸發器水位高度；

∑h補——前1日8:00至當日8:00，加入水量之和；

∑h取(汲)——前1日8:00至當日8:00，取出水量之和；

Ke——蒸發轉換系數。

為了提高測量數據的精準度和穩定性，測量裝置配套了減阻系統和防波阻尼系統。蒸發系統和雨量系統的測量精度可達0.1 mm，水位分辨力：蒸發系統為0.031 mm，雨量系統為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日的人工觀測蒸發量與自動監測蒸發量的數據進行對比分析。經統計獲取6個月，共182組蒸發值數據資料[5]。其中2020年12月31日8：00由于人工清洗蒸發桶時誤操作進入清洗模式，導致12月30日的測量值為零，不屬于自動蒸發儀器自身發生故障，2020年12月30日數據僅統計，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值之差的絕對值，文章把自動監測數據當作測量值，人工觀測數據當作真實值。絕對誤差表示自動與人工觀測之間差異的指標，能反映偏離真實值的實際大小。設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，人工與自動觀測數據相一致的指標，即同步測驗內人工、自動水面蒸發比測絕對誤差小于1.0 mm的天數占總有效觀測天數的百分比。設Y為自動與人工水面蒸發觀測一致率%，y為自動與人工水面蒸發觀測絕對誤差小于1.00 mm的天數，P總為自動或人工水面蒸發觀測總有效天數。

Y=(y/P總)×100%

(1)

5 比測數據分析

5.1 日蒸發量分析

將官良水文站2020年10月1日到2021年3月31日的蒸發資料進行統計分析[9]，一共181 d數據，其中2020年12月30日由于人工清洗蒸發器誤操作導致數據異常，此日數據僅統計，不參與誤差分析。比測期間，人工觀測數據與自動監測數據進行相減運算統計，得出官良水文站自動與人工觀測蒸發量絕對誤差分布(見表1)。

表1 官良水文站自動與人工觀測蒸發量絕對誤差分布

根據表1可知，人工和自動水面蒸發比測數據的絕對誤差主要在0～0.2 mm之間，其中絕對誤差為0.1 mm的天數居多，天數百分比占27.1%；絕對誤差為0.2 mm次之，天數百分比占26.0%；0差值的天數為29 d，天數百分比占16.0%。絕對誤差在0～0.5 mm之間的天數百分比占90.6%，絕對誤差在0.5～1.0 mm之間的天數百分比占8.3%，絕對誤差大于1.0 mm的天數百分比僅占1.1%。

根據廣東省水文局印發的《蒸發自動觀測儀器使用指引》的相關規定，日蒸發量誤差分析分為有降雨日蒸發量、無降雨日蒸發量兩種情況進行誤差分析。通過數據統計分析，得出官良水文站有降雨逐日蒸發量絕對誤差頻率統計(見表2)和無降雨逐日蒸發量絕對誤差頻率統計(見表3) 。

表2 有降雨逐日蒸發量絕對誤差頻率統計

表3 無降雨逐日蒸發量絕對誤差頻率統計

根據表2可知，2020年10月1日至2021年3月31日共有26 d出現降雨。在降雨情況下，自動與人工觀測蒸發量絕對誤差最小為0 mm(出現4 d)，最大為1.2 mm(出現1 d)。在26組數據里，絕對誤差為0.2 mm出現次數最多，共7 d；次之，絕對誤差為0.1 mm出現6次。經統計分析可知，在有降雨情況下日蒸發量絕對誤差小于等于1.0 mm的頻率為96.2%。

根據表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量絕對誤差最小為0 mm(出現 25 d)，最大為1.2 mm(出現1 d)。在155組數據里，絕對誤差為0.1 mm出現次數最多，共43 d；次之，絕對誤差為0.2 mm出現40次。經統計分析可知，在無降雨情況下日蒸發量絕對誤差小于等于1.0 mm的頻率為99.4%。

5.2 旬蒸發量分析[10]

經過18組旬蒸發量對比分析(見表4)，旬蒸發量絕對誤差最大是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月下旬旬蒸發量絕對誤差都少于1.0 mm。旬蒸發量相對誤差最大是10.4%(2020年10月下旬)，最小是0.4 mm(2021年3月下旬)；旬蒸發量相對誤差大于10%的只有2020年10月下旬，其他各旬蒸發量相對誤差都小于10%。

表4 官良水文站自動與人工觀測旬蒸發量對照分析

5.3 月蒸發量分析

經過6組自動與人工觀測月蒸發量對比分析(見表5)，月蒸發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量對照分析

5.4 人工與自動蒸發觀測一致率分析

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

表6 官良水文站人工與自動蒸發觀測一致率分析

由表6數據統計分析可知，官良水文站人工與自動蒸發觀測值的月一致率最高為2020年的12月和2021年的2月、3月，一致率均達到100%。最低的月一致率為96.8%，分別為2020年10月和2021年1月。總觀測有效天數為181 d(其中2020年12月30日由于誤操作導致數據異常，此日僅統計，不參與誤差分析)，日蒸發量絕對誤差小于0.1 mm 天數有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量數據對比，總結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桶，水面產生波動，由此造成觀測誤差；或者溢流測量過程中產生的誤差。

2) 風力誤差：風速大小會導致水面波動，造成蒸發桶水位有不同程度的波動。所以風力大小與誤差產生存在一定關系。

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

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

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

7 結語

通過官良水文站2020年10月至2021年3月的水面蒸發比測分析可知，有降雨逐日蒸發量比測絕對誤差小于等于1 mm的頻率為96.2%，無降雨逐日蒸發量比測絕對誤差小于等于1 mm的頻率為99.4%。旬蒸發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%。

依據廣東省水文局印發的《蒸發自動觀測儀器使用指引》[12]的規定：有降雨情況下的日蒸發量合格率不小于85%，無降雨情況下的日蒸發量合格率不小于90%，單月蒸發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量比測的各項指標均合格，可以投入使用。