自动蒸发水面高度测量检查和评定方法探讨

2022-04-06刘铁林欧阳欣欣

江西水利科技 2022年2期

刘铁林，匡刚，欧阳欣欣

（1.江西省水文监测中心，江西南昌，330000；2.修河水文水资源监测中心，江西九江，332000；3.赣江下游水文水资源监测中心，江西宜春，336000）

0 引言

水面蒸发资料是防汛抗旱的水文预测预报、水资源评价分析、水生态保护与修复等重要的基础资料，其资料准确与否十分重要，现行《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）[1]明确规定，水面蒸发观测标准仪器为E601-B型，采用测针进行观测水面高度应读至0.1mm、两次读数误差不大于0.2mm，溢流量测量精度应达到0.1mm。随着科技高速发展，光电编码[2]和磁致伸缩[3]等技术在水面蒸发自动监测中得到应用，国内外很多专家学者进行了大量的自动蒸发与人工比测试验研究工作[4，5]，为水面蒸发新技术研发和推广应用作出了重要贡献，但对水面蒸发自动监测水面高度测量精度野外检查和评定并未进行专门研究。2012年以来，江西省水文局陆续新建了40余处水面自动蒸发监测站，就不同型号仪器设备开展了大量的比测和试验研究工作，总结了一些设备检查维护经验和检定方法。本论文主要以高沙水文站为例，通过人工模拟水面蒸发值与自动观测蒸发值的试验和误差分析，对水面高度测量传感器的安装、测量精度等进行综合评定，探索水面蒸发自动监测水面高度测量精度野外检查和评定的方法，以供水文工作者参考。

1 基本情况

1.1 研究场所概况

高沙水文站位于江西省九江市修水县四都镇高沙村，东经 114°35′，北纬 29°04′，2010 年起开始采用E601-B标准蒸发器人工观测水面蒸发。观测场地尺寸为12m×12m，遮挡率为5%，场地内安装有雨量器、翻斗式雨量计、水面蒸发自动监测系统、岸温计、气象百叶箱等设备，场地环境和仪器设备布设等符合《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）要求。2016年引进了水面蒸发自动监测系统，其水面高度测量主要采用光电轴角编码技术，该技术具有高精度、低转矩、性能稳定等特点，是目前江西省水面蒸发自动监测技术中水面高度测量应用最多的传感技术，选择该站进行试验研究具有典型代表意义。经近年来的野外比测试验研究和完善改进，该站水面蒸发自动监测系统性能稳定，精度满足规范要求，资料质量可靠且已纳入资料整编。

1.2 设备简介

1.2.1 结构组成及功能

高沙水文站水面蒸发自动监测系统由E601-B型蒸发器、静水桶、雨量计、补水装置、控制阀、控制箱（控制系统）、供电系统和RTU等主要部件组成，结构组成详见图1，安装布局见图2。该系统具有自动控制溢流和补水控制等功能，可实现蒸发器水面高度、降水量、溢流量、水面蒸发量自动采集、传输、处理，监测数据现场存储并通过RTU传输至中心平台。其中，光电式轴角编码器为蒸发器水面高度测量核心部件，属于绝对值型非接触式编码器，由扇形全金属码盘、微型光电开关、IC芯片、主轴、轴承、精密传动齿轮系、输出线缆、金属壳体等组成，测量原理为：通过扇形全码盘的旋转，由微型光电开关读取码盘形成编码数据。

图1 水面蒸发自动监测系统结构图

图2 水面蒸发自动监测系统安装平面图

1.2.2 系统原理

1.2.2.1 补水机制

无降水日时，采集器自动采集蒸发器水面高度计算蒸发量。当蒸发器水面高度降至补水线（仪器显示值小于70）时，在观测日分界时刻（8：00）控制补水泵进行补水至水面高度标志线（仪器显示值80左右），待水面稳定后采集水面高度，作为下一时段的蒸发量起算点。

1.2.2.2 溢流机制

在降水日，当蒸发器水面高度升高至溢流线时（仪器显示值大于90），采集器驱动电磁阀门关闭，采集记录此刻的水面高度后，启动溢流泵排出静水桶内的水，当静水桶内的水面高度下降到一定高度时，溢流泵停止工作，再次采集记录水面高度，并计算此次排水的水面高度差，根据静水桶的横截面积计算出此次的溢流量，采集器再打开电磁阀等待下次溢流，直至仪器显示值约等于80为止。

1.2.2.3 蒸发器与静水桶之间的关系

静水桶与蒸发器之间采用连通管相连。静水桶和蒸发器埋设深度均为40cm，连通管水平安装，管径为5cm，水面表面张力影响可忽略不计，静水桶内有浮子式水位计（光电式轴角编码），根据连通管原理，静水桶可代表蒸发器水位。蒸发器与静水桶的截面积比为10：1，蒸发器蒸发水量与静水桶测量水位变幅换算系数为1.1，即：当E601-B型蒸发器的水面变化1.0mm相当于实际蒸发量1.1mm。

1.2.2.4 水面蒸发量计算

根据补水机制和溢流机制，该系统水面蒸发计算方法和原理符合《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）要求，详见式（1）：

式中：E为水面蒸发量，mm；P为被测时段内的降水量，mm；h1为测量t时刻的蒸发器水面高度，mm；h2为起算时刻的蒸发器水面高度，mm；h溢为被测时段内的溢流量，mm。

2 检查方法探讨

从公式（1）和溢流量测定机制可知，水面蒸发量观测准确性关键取决于降水量和水面高度测量的精度。雨量计安装调试试验方法可参考《降水量观测规范》（SL21-2015）[6]执行，本文着重讨论水面高度测量精度的野外检查和评定方法，主要从其精密度、正确度和准确度等方面进行评定[7]。水面蒸发是一个渐变发生过程，利用天然水面蒸发过程进行水面高度测量精度试验耗时长、操作性差，为提高野外试验时效性和可操作性，拟采用从蒸发器中取水的方式模拟水面蒸发过程的水面高度变化量，对仪器的水面高度测量精度进行检查和评定，现就检查器具选定、取水模拟蒸发方法、步骤和误差计算评定等关键环节进行探讨。

2.1 器具选定

现行《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）明确规定，水面蒸发观测标准仪器为E601-B型，采用测针进行观测水面高度应读至0.1mm、两次读数误差不大于0.2mm，溢流量测量精度应达到0.1mm。作为水面高度测量精度评定的标准值，模拟水面蒸发量应近似真值，其测量精度应比蒸发测针测量精度（读数分辨率0.1mm）最少高一个量级。在试验中应采用标准计量器具作为雨量观测标准器具，本研究采用水文部门量雨杯作为取水模拟蒸发量的计量器具。

量雨杯最小刻度为0.1mm，即最大读数误差为0.1mm，换算体积误差为3.14ml，折合E601蒸发器的水面高度变化量为0.01mm，比水面蒸发测针的读数误差0.1mm高一个量级。按照水质分析的容积量测操作要求，以鉴定后的 10ml、20ml、50ml、100ml等不同量程的水质分析计量器具为准，对量雨杯的量积误差情况进行检查。检查结果表明：量雨杯量积随机误差约为±0.3ml，折合E601-B蒸发器的水面高度变化量为0.01mm，远小于量雨杯最小刻度0.1mm折合的水量体积（3.14ml）；但系统误差约为-0.3ml/10mm（量雨杯内壁残留水滴损失所致），折合E601-B蒸发器的水面高度变化量为-0.01mm，将导致取水模拟蒸发量偏少约0.1%。因此，选用量雨杯作为模拟水面蒸发取水的计量器具是可行的。同时应准备水勺、洗耳球或移液管、水桶等用具。

2.2 取水模拟蒸发分析

从蒸发器中取水的方式模拟水面蒸发过程的水面高度变化量，应能满足水面高度测量精密度、正确度和准确度的精度评定要求，并应考虑野外试验环境影响、工作量和可操作性等方面。就满足精度评定要求而言，每次宜以0.1mm蒸发量取水并全量程覆盖最高和最低水面高度变幅（达20mm），需取水200次，按每次取水后需等待采集器与蒸发器的水面高度保持一致方可采集水面高度（约需1min）计，整个试验时间达200min。该方法模拟蒸发过程耗时过长，很有可能因蒸发量损失（尤其是夏季）反而影响精度试验结果，可操作性差。为减少因蒸发损失带来误差（夏季日蒸发量可达10mm或以上），野外试验不宜超过1小时。综合考虑水面高度测量精度评定需要和试验期间蒸发损失等因素，确立取水模拟蒸发原则为：以1.0mm均匀分布并适当重复0.1mm、0.2mm、0.5mm不同量级，详见表1第5列。

表1 高沙站自动蒸发水面高度观测精度试验记录表

为减少量雨杯量积误差，取水过程宜采用读取累积取水量的方法，其对应的累积取水量（蒸发量深度）分别为：0.1mm，0.2mm…22.0mm（详见表1第3列）。E601-B蒸发器口面积为3 000cm2，雨量器器口面积为314cm2；折合成量雨杯的量测读数详见表1第2列，其换算关系见式（2）；

式中：E取为量雨杯取水读数，mm；E模为模拟蒸发量（人工取水量折合成蒸发值），mm。

2.3 试验步骤

为避免风力、降水的影响和减少蒸发损失，水面高度测量精度野外检查宜在无降水的早晨或傍晚、风速较小的时候进行。根据野外试验积累的经验，确定取水检查步骤如下：

（1）清洗量雨杯、水勺、水桶、洗耳球或移液管等器具；

（2）检查仪器设备运行是否正常、连通管道是否漏水，进入仪器设备测试状态或清洗模式；

（3）向蒸发器缓慢加水至接近溢流线时为止，待蒸发器与静水桶水面高度一致（仪器显示值稳定），记录仪器显示水面高度（初始值）；

（4）利用水勺、洗耳球或移液管、雨量杯，按照表1第3列依次从蒸发器累积取出水量，每次取出水量后，待蒸发器与静水桶水面高度一致（仪器显示值稳定），分别记录仪器显示水面高度和实际取出水量；为减少量雨杯读数带来的累积误差，宜采用读取累积取水量的方法，每当量雨杯量取水量达10mm，全部倒入水桶中（要注意尽量减少量雨杯挂壁水滴的损失和水量散失）；

（5）整个取水和测记过程结束后，将水桶中取出的水全部缓慢倒回蒸发器内，待蒸发器与静水桶水面高度一致（仪器显示值稳定），再次记录仪器显示水面高度，检查水面高度记录是否与初始值一致；

（6）取出蒸发器内水量至水面高度标志线（仪器显示值80左右），退出仪器设备测试状态或清洗模式，进入日常观测模式；

（7）器具归位，试验结束。

2.4 误差计算方法

对水面蒸发水面高度自动测量的精密度、正确度和准确度以及人工与自动观测蒸发数据比对分析等方面进行评定，需计算绝对误差[8]、平均绝对误差和综合不确定度等，计算公式和方法如下：

（1）绝对误差：测量值与真实值之差，即自动水面蒸发观测值与人工取出水量折合成蒸发值之差，如式（3）：

式中：△t为绝对误差，mm；E自动为水面蒸发自动观测蒸发量，mm；E模为模拟蒸发量（人工取水量折合成蒸发值），mm。

（2）平均绝对误差：绝对误差累计值除以试验次数，如式（4）：

式中：α为平均绝对误差，mm；其余符号意义同前。

（3）综合不确定度：观测不确定度按2倍的观测标准差计算，如式（5）和（6）：

式中：Se为观测标准差，mm；δ为综合不确定度，mm；其余符号意义同前。

3 结果与讨论

3.1 试验数据

选择一个无雨日早晨，按照确立的试验步骤和误差计算方法进行三次试验，统计计算各项误差，第一次试验记录见表1，三次试验成果汇总见表2。

表2 高沙站自动蒸发水面高度观测精度试验成果汇总表

3.2 精度评定与讨论

根据水文测验误差分析理论，精度评定拟从精密度、正确度、准确度三个方面进行分析评定。

3.2.1 精密度评定与讨论

精密度是反应蒸发器水面高度测量结果随机误差大小的程度。水面蒸发和水面高度测量传感技术精密度不仅取决于读数分辨力，同时还受水的张力和传感部件的机械阻力等综合影响，拟从仪器的灵敏度和绝对误差变幅两个方面进行分析，因蒸发量较小，不采用相对误差进行分析。

（1）从表1试验数据可知，5次重复量取0.1mm蒸发量进行试验，蒸发器自记水面高度相应变化量为0.1mm，说明其灵敏度与仪器分辨率一致，根据现行《水面蒸发观测规范》（L630-2013）“采用测针进行观测水面高度应读至0.1mm”的要求，该仪器水面高度测量灵敏度符合要求。

（2）从 0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm 不同量程的重复试验结果来看，其绝对误差变幅为-0.1～0.1mm，根据《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）“采用测针进行观测水面高度两次读数误差不大于0.2mm”的要求，该仪器水面高度测量随机误差规范符合要求。

3.2.2 正确度评定与讨论

正确度是反应水面高度测量结果系统误差大小的程度，拟采用的平均绝对误差（绝对误差累计值/取水次数）和累计相对误差（绝对误差累计值/取水总量）进行评定。从表1可知，平均绝对误差为-0.006mm，累计相对误差为-0.9%（其中含试验过程中量雨杯内壁残留水滴损失约偏小0.1%），仪器水面高度测量值系统略偏小。《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）对水面高度测量正确度评定未明确规定，拟以“采用测针进行观测水面高度两次读数误差不大于0.2mm”作为评定依据，该仪器水面高度测量正确度符合要求。

3.2.3 准确度评定与讨论

准确度是反应水面高度测量系统误差和随机误差的综合误差大小的程度，表示测量值与真值的一致程度，拟以随机误差和系统误差的综合不确定度进行评定。从表1可知，本次试验综合不确定度为0.05mm，《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）对水面高度测量准确度评定未明确规定，拟以“采用测针进行观测水面高度两次读数误差不大于0.2mm”作为评定依据，该仪器水面高度测量准确度符合要求。

4 结论

通过本文分析研究，水面蒸发自动监测技术水面高度测量精度野外检查和评定非常有必要，是检查和判别水面蒸发自动监测仪器设备安装调试是否符合规范要求重要的方法和依据。本文提出的水面蒸发自动监测技术水面高度测量精度野外检查和评定的理论依据充分、方法可行，可供其他类似水面蒸发自动监测仪器设备水面高度测量精度试验参考，主要结论如下：

（1）通过水面高度测量精度野外试验和评定，可知高沙站水面蒸发自动监测系统水面高度测量精度符合规范要求。

（2）雨量杯的量积误差精度比《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）规定的蒸发测针测量精度高一个量级，可作为模拟蒸发取水量积的器具。

（3）本文提供的水面高度测量精度野外检查方法和步骤，综合考虑了满足水面高度测量精度评定的需要、试验期间蒸发损失和取水量积误差等因素，取水模拟蒸发的方法和试验步骤具有可操作性和参考价值。

（4）水面蒸发自动监测技术水面高度测量的精密度、正确度和准确度等评定方法理论依据充分，符合水文测验误差评定要求。