謝萌琦 李儀 馮能操 楊鑫

摘? 要：該文針對(duì)基于E601B蒸發(fā)器的蒸發(fā)自記儀比測試驗(yàn)存在的誤區(qū)，系統(tǒng)總結(jié)了比測試驗(yàn)在儀器選型、場地選擇、設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)觀測等環(huán)節(jié)需要注意的問題，分析了上述環(huán)節(jié)誤差成因，并結(jié)合行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范，提出了一套客觀評(píng)定蒸發(fā)自記儀性能的方案，對(duì)提高蒸發(fā)自記儀性能比測試驗(yàn)效能，加快推廣應(yīng)用水文新儀器，促進(jìn)水文現(xiàn)代化發(fā)展具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：E601B水面蒸發(fā)器? 蒸發(fā)自計(jì)儀? 比測實(shí)驗(yàn)? 數(shù)據(jù)觀測

中圖分類號(hào)：P4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2020）09（b）-0062-04

The Issue Needing Attention in Comparison Experiments of Water Surface Evaporation Recorder Based on E601B Evaporator

XIE Mengqi1? LI Yi2? FENG Nengcao3? YANG Xin1

（1.HanjiangCouncil of Hydrology and Water Resource Survey， Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resource， Xiangyang， Hubei Province， 441022? China; 2. Construction Authority Headwork Branch of South-north Water Transfer Central Line MainLine Project， Nanyang， Henan Prov-ince， 473000? China; 3. Technology Research Center of Changjiang Water Resources， Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resource， Wuhan， Hubei Province， 430010? China）

Abstract： Aiming at the misunderstandings in the comparison test of the evaporation self-recorder based on the E601B evaporator， this article systematically summarizes the problems that need to be paid attention to in the selection of the instrument， site selection， equipment installation， data observation， etc， and analyzes the causes of the above-mentioned errors. In combination with the current industry norms， a set of objective evaluation methods for the performance of the evaporative self-recorder is proposed， which is of reference significance for improving the performance of the evaporative self-recorder performance comparison test， accelerating the promotion and application of new hydrological instruments and promoting the development of hydrological modernization.

Key Words： E601B water surface evaporator; Evaporation meter; Comparison experiment; Data observation

E601B型蒸發(fā)器是氣象水文行業(yè)蒸發(fā)量觀測的標(biāo)準(zhǔn)儀器，觀測資料具有較好的代表性，市面上大多數(shù)蒸發(fā)自計(jì)系統(tǒng)選用E601B作為量測器具，選用液位傳感器測量蒸發(fā)器的水位變化量計(jì)算時(shí)段蒸發(fā)量。水文行業(yè)要求，新儀器投產(chǎn)前應(yīng)開展比測試驗(yàn)，測量誤差在允許范圍內(nèi)方可投產(chǎn)，由于蒸發(fā)量受環(huán)境、觀測方法等因素影響較多，且都會(huì)對(duì)測量誤差產(chǎn)生明顯影響，比測和評(píng)定方法不當(dāng)，都不能客觀反映自計(jì)儀的真實(shí)性能。新儀器長期不能投產(chǎn)，比測實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間太久，耗費(fèi)了大量人力、財(cái)力，影響了水面蒸發(fā)量自計(jì)進(jìn)程。

1? 比測器具選擇應(yīng)注意的問題

實(shí)際比測中，人工和自計(jì)蒸發(fā)量、雨量來自同一個(gè)樣本，執(zhí)行起來比較困難，一般選用同一個(gè)觀測場其他器具的人工觀測值作為真值，和自記數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，為了保證二者原始值是近似相等的，具有可比性，需要注意如下幾方面的問題。

1.1 人工雨量數(shù)據(jù)獲取

人工雨量數(shù)據(jù)應(yīng)選用人工雨量器實(shí)際收集的雨量作為真值。和翻斗等其他類型雨量計(jì)相比，雨量收集不受雨強(qiáng)影響，具有較高的精度，更接近真值。

1.2 人工蒸發(fā)量數(shù)據(jù)獲取

由于不同類型蒸發(fā)器觀測的蒸發(fā)量存在較大的差異，為了和基于E601B型蒸發(fā)器的水面蒸發(fā)自記儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行比測，人工蒸發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)該選用E601B型蒸發(fā)器的實(shí)測數(shù)據(jù)，否則數(shù)據(jù)缺乏可比性。

2? 比測場地選擇應(yīng)注意的問題

蒸發(fā)受空氣濕度、氣壓、太陽輻射、風(fēng)力等多重因素影響，即便是鄰近測站，蒸發(fā)量也會(huì)有較大差異，應(yīng)選用同一個(gè)觀測場的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比測。在同一個(gè)觀測場，一般氣溫差異不大，但是受場地四周環(huán)境如樹木、建筑物等因素影響，同一觀測場不同位置的風(fēng)力和太陽輻射會(huì)有差異，不同位置的蒸發(fā)量會(huì)不一樣，甚至差異較大。推薦選擇12m×12m的觀測場作為比側(cè)試驗(yàn)場地，場地遠(yuǎn)離高大樹木、建筑物、山丘等。

3? 比測器具的安裝應(yīng)注意的問題

E601B型蒸發(fā)器和雨量計(jì)的安裝除滿足現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范要求外，還應(yīng)滿足如下幾點(diǎn)要求。

3.1 自計(jì)蒸發(fā)器和人工蒸發(fā)器的器口高度應(yīng)一樣

實(shí)測數(shù)據(jù)表明，風(fēng)力作用對(duì)蒸發(fā)量影響明顯，保證人工和自記儀蒸發(fā)器器口高度一致，旨在保證二者有近似一致的風(fēng)力條件，保證二者實(shí)際蒸發(fā)量近似相等，可以提高人工和自計(jì)數(shù)據(jù)的可比性，得出的比測結(jié)果也更加客觀。

3.2 蒸發(fā)器初始水面應(yīng)盡量保持在同一高度

水面蒸發(fā)觀測規(guī)范要求，蒸發(fā)器水位應(yīng)保持在水面標(biāo)準(zhǔn)線上下1cm的區(qū)間。但是在實(shí)際觀測中水面經(jīng)常超出正常范圍，尤其是水位偏低時(shí)液面過渡下凹，器壁擋風(fēng)會(huì)影響蒸發(fā)，使實(shí)際蒸發(fā)量偏小。

3.3 蒸發(fā)器都應(yīng)該用原土填實(shí)

蒸發(fā)與水溫密切相關(guān)，溫度越高，水分子做熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，蒸發(fā)速度也越快，日蒸發(fā)量也越大，反之則小。通常情況水溫和氣溫有較大差異，蒸發(fā)器四周用原土填實(shí)能夠較好地保證蒸發(fā)器水溫和地溫同步，保證人工觀測蒸發(fā)器和自計(jì)蒸發(fā)器具有盡量一致的環(huán)境條件，保證二者實(shí)際蒸發(fā)量盡量接近，收集的資料具有較好代表性。另外，原土填實(shí)可以避免日后蒸發(fā)器發(fā)生傾斜，特別是基于連通管測量原理的蒸發(fā)器自記儀，蒸發(fā)器和測量筒不同步沉降，會(huì)產(chǎn)生測量誤差。

3.4 蒸發(fā)測量筒應(yīng)部分埋入土中

用連通器原理測量蒸發(fā)器的液位，連通器兩側(cè)容器液面應(yīng)等高。實(shí)際上水密度與溫度密切相關(guān)，當(dāng)連通器兩側(cè)容器水溫不一樣時(shí)，水密度不一樣，水面高度會(huì)有差異，自計(jì)蒸發(fā)量會(huì)與實(shí)際不一致。蒸發(fā)測量筒部分埋入土中可以保證測量桶水溫和地溫近似一致，保證連通器兩側(cè)容器溫度近似一樣。

4? 降雨對(duì)蒸發(fā)量計(jì)算的影響應(yīng)注意的問題

4.1 降雨非均勻分布對(duì)蒸發(fā)量計(jì)算的影響

自計(jì)時(shí)段蒸發(fā)量計(jì)算公式可表示為：

E1=P1-He1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中E1表示時(shí)段自計(jì)蒸發(fā)量，P1表示時(shí)段自計(jì)降雨量，He1表示時(shí)段蒸發(fā)自計(jì)儀液位變化量（假定該時(shí)段蒸發(fā)器沒有補(bǔ)水也沒有溢流）。

人工觀測時(shí)段蒸發(fā)量計(jì)算公式可表示為：

E2=P2-He2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中E2表示時(shí)段人工蒸發(fā)量，P2表示時(shí)段人工降雨量，He2表示時(shí)段蒸發(fā)器液位變化量（假定該時(shí)段蒸發(fā)器沒有補(bǔ)水也沒有溢流）。蒸發(fā)絕對(duì)誤差：

E=E1-E2

=P1-P2-He1+ He2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

從上式可以看出，蒸發(fā)計(jì)量誤差與上述4個(gè)觀測值密切相關(guān)。通常認(rèn)為同一個(gè)觀測場同一個(gè)降雨過程，器口高度相同的雨量計(jì)收集的降雨量是一樣的，實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)降雨是非均勻分布的，尤其是中大雨天氣，同一個(gè)觀測場的不同位置，日總雨量有數(shù)毫米的差異。因此在雨量非均勻分布的情況下，為了客觀評(píng)定蒸發(fā)自記儀的精度情況，應(yīng)用相同的雨量值計(jì)算人工日蒸發(fā)量和自計(jì)日蒸發(fā)量。

4.2 降雨強(qiáng)度對(duì)蒸發(fā)量計(jì)算的影響

水面蒸發(fā)量觀測規(guī)范要求，蒸發(fā)自計(jì)設(shè)施不應(yīng)該對(duì)蒸發(fā)器的環(huán)境因素造成影響，為減小影響，蒸發(fā)自記儀通常用連通器原理測量蒸發(fā)器的水位。降雨時(shí)蒸發(fā)器液位升高，連通器兩側(cè)存在液位差，水從E601B蒸發(fā)器流向測量筒。降雨時(shí)兩側(cè)容器液位差隨雨強(qiáng)的增大而增大，實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)大于1mm/min時(shí)，液位差最大可以達(dá)到0.5mm。降雨結(jié)束一段時(shí)間，兩端容器水位才能基本實(shí)現(xiàn)等高。因此降雨持續(xù)期間，測量筒監(jiān)測的蒸發(fā)器液位與實(shí)際液位存在差異。人工數(shù)據(jù)一般在早上8時(shí)觀測，如果觀測期間降雨強(qiáng)度較大，建議當(dāng)天蒸發(fā)數(shù)據(jù)不納入比測范圍。

5? 數(shù)據(jù)觀測需要注意的問題

5.1 計(jì)量時(shí)段應(yīng)統(tǒng)一，人工和自計(jì)觀測時(shí)間應(yīng)同步

水面蒸發(fā)量觀測規(guī)范要求，昨日8時(shí)至今日8時(shí)的雨量記作昨日降水量，期間的蒸發(fā)量記作昨日蒸發(fā)量。因此人工觀測時(shí)，觀測時(shí)間應(yīng)正點(diǎn)，尤其是8點(diǎn)前后正在下雨，必須正點(diǎn)觀測。蒸發(fā)自記儀內(nèi)部時(shí)鐘應(yīng)校準(zhǔn)，配套軟件計(jì)算日雨量和日蒸發(fā)量應(yīng)按照規(guī)范進(jìn)行。

5.2 人工觀測應(yīng)注意的問題

蒸發(fā)量人工觀測一般用蒸發(fā)電測針測量，為保證觀測數(shù)據(jù)有較高的精度，應(yīng)選用尖銳的測針，以避免針尖出現(xiàn)懸掛水滴現(xiàn)象導(dǎo)致較大測量誤差。測針應(yīng)緊密固定在電測針的螺桿上，蒸發(fā)電測針頂端的旋鈕和螺桿之間應(yīng)配合良好，保證測針尖實(shí)際推進(jìn)的距離與電測針讀數(shù)變化量完全一致。電測針的支桿應(yīng)保持垂直固定在蒸發(fā)器的底座上，保證電測針針尖變化距離和水面變化量一致，如果支桿安裝傾斜，測量值會(huì)大于實(shí)際值，長期傾斜會(huì)導(dǎo)致較大累計(jì)誤差。另外，為了減小電測針安裝問題引起的測量誤差，比測階段蒸發(fā)電測針應(yīng)一直安裝在支座上，支桿保持不動(dòng)。

6? 觀測數(shù)據(jù)換算問題

實(shí)際工作中，受觀測場地、資金等因素的限制，在儀器選型、安裝等方面不一定完全滿足上述要求，人工觀測和儀器自計(jì)觀測的對(duì)象量值本身不一樣，但是二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是確定的，可以引用確定的換算系數(shù)，再進(jìn)行比測。

6.1 雨量計(jì)器口高度不一樣時(shí)雨量換算

當(dāng)前，我國通用人工觀測雨量計(jì)器口距離地面約70cm，自計(jì)雨量計(jì)因?yàn)閮?nèi)部有其他計(jì)量部件等電子元件，雨量計(jì)的筒身一般比人工雨量器高，我國科技工作者經(jīng)過長期的觀測和研究，得出了不同器口高度情況下的雨量換算關(guān)系，具體參閱《降水量觀測規(guī)范》（SL-2015），人工和自計(jì)器口不等高時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行數(shù)值換算，再進(jìn)行比測。

6.2 基于連通器原理的蒸發(fā)量換算

當(dāng)觀測場只安裝了1套基于E601B蒸發(fā)器的蒸發(fā)自記儀時(shí)，人工和自記儀觀測同一個(gè)蒸發(fā)器的液位。由于損失的水量來自E601B和與之連通的測量桶，需要將損失的總水量折算成E601B水位變化量。設(shè)E601B的橫截面為A1，測量筒的橫截面為A2，折算系數(shù)為（A1+A2）/A1。通常自記儀已經(jīng)將折算系數(shù)置入儀器內(nèi)部，人工計(jì)算蒸發(fā)量時(shí)，需要按照上述系數(shù)換算后再進(jìn)行比較。

7? 蒸發(fā)自記儀精度評(píng)定

盡管在儀器選型、安裝、觀測等環(huán)節(jié)嚴(yán)格考究，確保自計(jì)和人工觀測對(duì)象盡量一致，受環(huán)境、儀器固有特性、人工觀測習(xí)慣等多重因素影響，人工觀測數(shù)據(jù)和儀器自計(jì)數(shù)據(jù)仍然存在誤差，需要一套科學(xué)的參考指標(biāo)，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行衡量。

7.1 模擬試驗(yàn)比測

模擬試驗(yàn)比測通過向E601B汲水、注水來模擬蒸發(fā)和降雨，主要試驗(yàn)器材有量雨器、克稱等。連通器的橫截面A是固定的，當(dāng)汲取的水量體積（V）一定時(shí)，連通器液位變化量h=V/A是確定的，待連通器液位穩(wěn)定后，連通器內(nèi)部的液位傳感器可以測出液位變化量h1，二者的差值（h1-h）即絕對(duì)測量誤差;用同樣方法向連通器注水，觀察并計(jì)算注水試驗(yàn)的絕對(duì)測量誤差。每次汲?。ㄗ⑷耄┑乃堪凑詹恍∮?0mm（折算成理論液位變化量），絕對(duì)誤差不大于0.3mm，即相對(duì)誤差不大于3%，可以認(rèn)為蒸發(fā)器精度滿足要求。

7.2 自然環(huán)境下降雨蒸發(fā)資料比測方法

自然環(huán)境比測可以比較全面考核自記儀的抗環(huán)境干擾能力和穩(wěn)定性，但是自然環(huán)境下，人工器具觀測的對(duì)象樣本和自記儀觀測的對(duì)象樣本身就不完全一樣，測量值因此也會(huì)有差異。當(dāng)日降雨、蒸發(fā)量很小時(shí)，應(yīng)用絕對(duì)測量誤差評(píng)定，晴天蒸發(fā)量測量誤差不大于0.3mm，可以認(rèn)為滿足要求，雨天觀測因?yàn)槭艿接陱?qiáng)和降雨非均勻分布等客觀因素的影響，人工器具觀測的對(duì)象樣本和自記儀觀測的對(duì)象樣本身可能存在較大差異，允許測量誤差應(yīng)適當(dāng)放寬到0.5mm。日降雨量大于50mm，或者降雨歷時(shí)較長，人工觀測資料和自計(jì)觀測資料差別可能會(huì)更大，雨量可以比測，蒸發(fā)量誤差情況已經(jīng)不能客觀評(píng)定儀器的性能。隨機(jī)誤差表現(xiàn)為單次測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)誤差會(huì)導(dǎo)致累計(jì)絕對(duì)誤差隨累計(jì)量的增加逐步擴(kuò)大，相對(duì)誤差可以更加科學(xué)評(píng)價(jià)自記儀器的性能。蒸發(fā)量資料收集重點(diǎn)關(guān)注一個(gè)時(shí)段（1旬或者1個(gè)月）內(nèi)的蒸發(fā)規(guī)律和量值，可以用旬、月累計(jì)量相對(duì)誤差來評(píng)定，當(dāng)累計(jì)值（絕對(duì)值）偏小時(shí)，某次稍偏大的絕對(duì)隨機(jī)誤差可能導(dǎo)致相對(duì)誤差偏大，因此用相對(duì)誤差評(píng)定儀器的性能，需要確定絕對(duì)值的下限，一般計(jì)算雨量相對(duì)誤差時(shí)，時(shí)段絕對(duì)雨量值不小于50mm;計(jì)算蒸發(fā)相對(duì)誤差時(shí)，時(shí)段絕對(duì)蒸發(fā)值不小于30mm。基于上述時(shí)段累計(jì)值，蒸發(fā)量相對(duì)誤差不大于3%，可以認(rèn)為滿足要求。

8? 結(jié)語

（1）蒸發(fā)量測量屬于高精度測量，開展高精度比測時(shí)，觀測器材選型、安裝應(yīng)符合規(guī)范要求，保證人工器材和自記儀器測量值正確有效。

（2）環(huán)境因素對(duì)實(shí)際蒸發(fā)量影響顯著，開展比測實(shí)驗(yàn)時(shí)，人工觀測儀器的環(huán)境條件應(yīng)該與自記儀的環(huán)境條件盡量相似，保證二者的實(shí)際值近似相等，測量值才具有可比性，比測結(jié)果才會(huì)更加客觀。

（3）當(dāng)人工觀測方式和自記儀器觀測方式有差異時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行比測。

（4）人工觀測數(shù)據(jù)在比測試驗(yàn)中作為假定真值，在觀測時(shí)間，儀器操作方面應(yīng)嚴(yán)格遵循觀測規(guī)程，比測結(jié)果才會(huì)更加客觀。

（5）當(dāng)環(huán)境因素引起的測量誤差較難消除時(shí)，應(yīng)當(dāng)有一套客觀的評(píng)價(jià)機(jī)制衡量自記儀器的性能，不能將環(huán)境因素引起的測量誤差視為儀器質(zhì)量缺陷，影響儀器的投產(chǎn)應(yīng)用。

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