全自动水面蒸发监测系统在官良水文站的应用分析

麦梓泳

(广东省水文局肇庆水文分局，广东 肇庆 526000)

水面蒸发观测是水文要素观测的组成部分，通过研究水体的水面蒸发及蒸发能力在不同地区和时间上的变化规律，为水文气象预报、防灾减灾、水资源评价、水文模型确定等方面提供技术支撑。传统的水面蒸发观测方法是人工每日北京时间8:00观测1次，结合辅助降雨观测，计算每日水面蒸发量。采用全自动水面蒸发监测系统进行水面蒸发量观测是实现水文现代化和水文监测自动化的必经之路。

1 基本情况

官良水文站建于1958年，位于广东省云浮市郁南县河口镇甘罗村委会官良村[1]。官良水文站作为罗定江中下游的控制站，属于国家重要水文站，担负着水位、流量、泥沙、水质、降水和蒸发测验工作任务。其中，水面蒸发观测启用于2016年1月1日[2]，依据历年蒸发观测资料可知，官良水文站年蒸发量在787.5～1 032.5 mm之间，日蒸发量最小值为0 mm，日蒸发量最大值为6.7 mm。

2 全自动水面蒸发监测系统结构组成及原理

2.1 系统结构

官良水文站采用的自动蒸发仪器为HY.FFZ-3定量汲水水面蒸发监测系统，该系统主要由E601蒸发器、高精度蒸发器液位测量装置、高精度雨量测量装置、储水箱装置、控制箱、远程通讯系统和太阳能电池系统组成(见图1)。E601蒸发桶与蒸发测量装置在地面下通过1条直径为32 mm的塑料胶管连通，构成液体U型管。当E601蒸发桶水位发生变化时，根据U型管原理可知：蒸发测量装置内部的水位与E601蒸发桶的水位始终保持一致。

图1 全自动水面蒸发监测系统组成示意

2.2 测量原理与计算公式

测量数据的准确可靠是整个系统的基础和重点，全自动水面蒸发监测系统采用最先进的磁致伸缩传感器进行测量[3]。磁致伸缩传感器由波导管、电子仓和1只可移动的永磁铁(圆柱状浮球)组成。当水位发生升降变化时，浮球沿着波导管在水面发生相应的升降位移。该系统设定每5 min自动采集1次水位数据，即电子仓每5 min自动发射1个起始脉冲，电子脉冲在波导管上传输形成一个径向的磁场。当径向磁场与永磁铁产生的纵向磁场相遇时，就会出现磁致伸缩现象，产生波导扭曲，形成1个磁致旋转波，并传输回到电子仓。由发射到接受2个脉冲的时间差，可知磁致旋转波的传播速度，能够精准测出浮球的位移和水面高度。

全自动水面蒸发监测系统计算公式为[4]：

E=P+(h1-h2)+∑h补-∑h取(汲)×Ke

(1)

式中：

E——日水面蒸发量,mm；

P——日降水量,mm；

h1——上次(前日)蒸发器水位高度；

h2——本次(当日)蒸发器水位高度；

∑h补——前1日8:00至当日8:00，加入水量之和；

∑h取(汲)——前1日8:00至当日8:00，取出水量之和；

Ke——蒸发转换系数。

为了提高测量数据的精准度和稳定性，测量装置配套了减阻系统和防波阻尼系统。蒸发系统和雨量系统的测量精度可达0.1 mm，水位分辨力：蒸发系统为0.031 mm，雨量系统为0.015 mm。

3 资料选用范围

文章选用2020年10月1日至2021年3月31日的人工观测蒸发量与自动监测蒸发量的数据进行对比分析。经统计获取6个月，共182组蒸发值数据资料[5]。其中2020年12月31日8：00由于人工清洗蒸发桶时误操作进入清洗模式，导致12月30日的测量值为零，不属于自动蒸发仪器自身发生故障，2020年12月30日数据仅统计，不参与误差分析[6]。

4 误差分析方法[7]

4.1 绝对误差

绝对误差是测量值与真实值之差的绝对值，文章把自动监测数据当作测量值，人工观测数据当作真实值。绝对误差表示自动与人工观测之间差异的指标，能反映偏离真实值的实际大小。设Ui为第i次人工观测值,Ai为第i次自动站观测值, 则第i次的绝对误差为：

Δi= |Ai-Ui|

(2)

4.2 相对误差

相对误差是绝对误差除以人工观测值，设Ui为第i次人工观测值,Ai为第i次自动站观测值, 则第i次的相对误差为：

Xi=(|Ai-Ui|/Ui)×100%

(3)

4.3 一致性分析[8]

一致率是在同步测验期间，人工与自动观测数据相一致的指标，即同步测验内人工、自动水面蒸发比测绝对误差小于1.0 mm的天数占总有效观测天数的百分比。设Y为自动与人工水面蒸发观测一致率%，y为自动与人工水面蒸发观测绝对误差小于1.00 mm的天数，P总为自动或人工水面蒸发观测总有效天数。

Y=(y/P总)×100%

(1)

5 比测数据分析

5.1 日蒸发量分析

将官良水文站2020年10月1日到2021年3月31日的蒸发资料进行统计分析[9]，一共181 d数据，其中2020年12月30日由于人工清洗蒸发器误操作导致数据异常，此日数据仅统计，不参与误差分析。比测期间，人工观测数据与自动监测数据进行相减运算统计，得出官良水文站自动与人工观测蒸发量绝对误差分布(见表1)。

表1 官良水文站自动与人工观测蒸发量绝对误差分布

根据表1可知，人工和自动水面蒸发比测数据的绝对误差主要在0～0.2 mm之间，其中绝对误差为0.1 mm的天数居多，天数百分比占27.1%；绝对误差为0.2 mm次之，天数百分比占26.0%；0差值的天数为29 d，天数百分比占16.0%。绝对误差在0～0.5 mm之间的天数百分比占90.6%，绝对误差在0.5～1.0 mm之间的天数百分比占8.3%，绝对误差大于1.0 mm的天数百分比仅占1.1%。

根据广东省水文局印发的《蒸发自动观测仪器使用指引》的相关规定，日蒸发量误差分析分为有降雨日蒸发量、无降雨日蒸发量两种情况进行误差分析。通过数据统计分析，得出官良水文站有降雨逐日蒸发量绝对误差频率统计(见表2)和无降雨逐日蒸发量绝对误差频率统计(见表3) 。

表2 有降雨逐日蒸发量绝对误差频率统计

表3 无降雨逐日蒸发量绝对误差频率统计

根据表2可知，2020年10月1日至2021年3月31日共有26 d出现降雨。在降雨情况下，自动与人工观测蒸发量绝对误差最小为0 mm(出现4 d)，最大为1.2 mm(出现1 d)。在26组数据里，绝对误差为0.2 mm出现次数最多，共7 d；次之，绝对误差为0.1 mm出现6次。经统计分析可知，在有降雨情况下日蒸发量绝对误差小于等于1.0 mm的频率为96.2%。

根据表3可知，2020年10月1日至2021年3月31日一共有155 d无降雨。在无降雨情况下，自动与人工观测蒸发量绝对误差最小为0 mm(出现 25 d)，最大为1.2 mm(出现1 d)。在155组数据里，绝对误差为0.1 mm出现次数最多，共43 d；次之，绝对误差为0.2 mm出现40次。经统计分析可知，在无降雨情况下日蒸发量绝对误差小于等于1.0 mm的频率为99.4%。

5.2 旬蒸发量分析[10]

经过18组旬蒸发量对比分析(见表4)，旬蒸发量绝对误差最大是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月下旬的旬蒸发量绝对误差在1.0～3.1 mm范围之间，2021年2月上旬到3月下旬旬蒸发量绝对误差都少于1.0 mm。旬蒸发量相对误差最大是10.4%(2020年10月下旬)，最小是0.4 mm(2021年3月下旬)；旬蒸发量相对误差大于10%的只有2020年10月下旬，其他各旬蒸发量相对误差都小于10%。

表4 官良水文站自动与人工观测旬蒸发量对照分析

5.3 月蒸发量分析

经过6组自动与人工观测月蒸发量对比分析(见表5)，月蒸发量绝对误差最大值为7.1 mm(2020年10月)，最小值为0.5 mm(2021年2月)。月蒸发量相对误差都小于100%，其中最大的相对误差为8.0%(2020年10月)，最小的相对误差为0.8%(2021年2月)。

表5 官良水文站自动与人工观测月蒸发量对照分析

5.4 人工与自动蒸发观测一致率分析

官良水文站统计2020年10月至2021年3月的人工与自动蒸发观测值绝对误差小于1.0 mm的天数、计算月一致率[11]见表6。

表6 官良水文站人工与自动蒸发观测一致率分析

由表6数据统计分析可知，官良水文站人工与自动蒸发观测值的月一致率最高为2020年的12月和2021年的2月、3月，一致率均达到100%。最低的月一致率为96.8%，分别为2020年10月和2021年1月。总观测有效天数为181 d(其中2020年12月30日由于误操作导致数据异常，此日仅统计，不参与误差分析)，日蒸发量绝对误差小于0.1 mm 天数有178 d，一致率为98.3%。

6 误差成因分析

通过181组自动与人工观测蒸发量数据对比，总结造成误差的原因如下。

1) 降水误差：观测时遇有雨滴降落到蒸发桶，水面产生波动，由此造成观测误差；或者溢流测量过程中产生的误差。

2) 风力误差：风速大小会导致水面波动，造成蒸发桶水位有不同程度的波动。所以风力大小与误差产生存在一定关系。

3) 仪器误差：蒸发测针长期使用导致针尖磨钝，从而影响测针的接触灵敏度；自动水面监测系统的测量传感器由于长期未清洗，因水质原因累积在浮球的杂质影响测量的精度和水位识别分辨力。

4) 人工估读误差：当遇到强降雨天气时，人工观测会视情况而增加观测次数，每次观测都含有误差的几率，观测次数增加，误差的可能性也会随之增大；自动水面蒸发监测系统是持续监测蒸发桶水位变化过程的，某一时间节点由于其他原因造成的测量误差不会影响到日蒸发量，而人工观测是每日8时这个时间节点的测量，如果当日的人工测量估读出错，日蒸发量比测就会有较大的绝对误差。

5) 其他原因误差：如比测的两个蒸发桶其中一个被小狗舔水，或者由于大风把落叶刮到一个蒸发桶里面，由这些特殊因素造成误差。

7 结语

通过官良水文站2020年10月至2021年3月的水面蒸发比测分析可知，有降雨逐日蒸发量比测绝对误差小于等于1 mm的频率为96.2%，无降雨逐日蒸发量比测绝对误差小于等于1 mm的频率为99.4%。旬蒸发量比测绝对误差均值为1.2 mm，相对误差均值为5.0 %，月蒸发量比测相对误差最大值为8.0%，最小值为0.8%。自动与人工观测一致率分析最大值为100%，最小值为96.7%。

依据广东省水文局印发的《蒸发自动观测仪器使用指引》[12]的规定：有降雨情况下的日蒸发量合格率不小于85%，无降雨情况下的日蒸发量合格率不小于90%，单月蒸发总量的相对误差不超过±8%。由此可见，官良水文站自动与人工观测蒸发量比测的各项指标均合格，可以投入使用。