張莉 楊鑫 張德佩

摘 要：水面蒸發(fā)是水循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是水文學(xué)研究的一個(gè)重要課題。目前，常用的水面蒸發(fā)觀測(cè)方法是器測(cè)法，該方法需要人工定時(shí)觀測(cè)蒸發(fā)器內(nèi)的水面高度變化、降水和溢流量，進(jìn)而計(jì)算蒸發(fā)量。FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器是目前比較先進(jìn)的自動(dòng)觀測(cè)蒸發(fā)量的儀器設(shè)備。本文主要就FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器在丹江口水庫(kù)蒸發(fā)站收集的蒸發(fā)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探討FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：水面蒸發(fā);數(shù)字式水面蒸發(fā)器;對(duì)比分析

Abstract： Water surface evaporation is an important link in the process of water cycle， and it is an important subject of hydrology research. At present， the commonly used method of water surface evaporation observation is the instrument measurement method， which needs to manually observe the change of water surface height， precipitation and overflow flow in the evaporator on time， and then calculate the evaporation amount. FFZ-01Z digital surface evaporator is a relatively advanced automatic evaporation observation equipment at present. In this paper， the evaporation data collected by FFZ-01Z digital surface evaporator in Danjiangkou reservoir evaporation station and the artificial observation data were compared and analyzed， and the application feasibility of FFZ-01Z digital water surface evaporator was discussed.

Keywords： evaporation on water surface; digital surface evaporator; comparative analysis

蒸發(fā)是水由液態(tài)或固態(tài)變成氣態(tài)的過(guò)程，是水文循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。水面蒸發(fā)是水庫(kù)、湖泊等水體水量損失的主要部分，也是研究其他蒸發(fā)的基本參證資料。水面蒸發(fā)的研究對(duì)流域水量平衡、水資源評(píng)價(jià)、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及有效利用水資源等都有重要意義。

1 測(cè)站概況

1.1 測(cè)站簡(jiǎn)介

丹江口水庫(kù)蒸發(fā)站設(shè)立于2013年12月，位于湖北省丹江口市丹江口大壩左岸。該站的設(shè)立是為了探求蒸發(fā)器折算系數(shù)、水面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式及氣象因子與蒸發(fā)量的關(guān)系等，同時(shí)也為水資源研究、降雨徑流預(yù)報(bào)[2]以及丹江口水利樞紐的調(diào)度運(yùn)行和南水北調(diào)中線工程運(yùn)行提供水面蒸發(fā)及其附屬項(xiàng)目的觀測(cè)數(shù)據(jù)。為了提高工作效率，減輕工作強(qiáng)度，丹江口水庫(kù)蒸發(fā)站在建站時(shí)就采購(gòu)安裝了FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器。

1.2 蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)介紹

蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)位于丹江口大壩左岸，距丹江口大壩主壩約2 km。蒸發(fā)場(chǎng)址平坦空曠，氣流暢通，離漢江水體近，周圍障礙物遮擋率滿足規(guī)范要求[3]，占地約1 600 m2，是全長(zhǎng)江流域乃至全國(guó)最大的蒸發(fā)觀測(cè)場(chǎng)。蒸發(fā)場(chǎng)安裝有蒸發(fā)、降水、氣象等設(shè)施，包括蒸發(fā)自記設(shè)備兩套（E-601B型蒸發(fā)器和20 m2蒸發(fā)池的FFZ-01Z型數(shù)字水面蒸發(fā)器）、風(fēng)速風(fēng)向儀、溫濕傳感器、氣壓計(jì)、土壤濕度儀、日照輻射儀、地溫計(jì)、雨量器等。

2 FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器簡(jiǎn)介

FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器是由徐州偉思水務(wù)科技有限公司依據(jù)原中華人民共和國(guó)水利電力部《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（SD 265—88）和中國(guó)氣象局2003年版《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》相關(guān)要求制造的，用于自動(dòng)觀測(cè)水面蒸發(fā)過(guò)程。

FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)系統(tǒng)由FFZ-01Z型數(shù)字水面蒸發(fā)器、JFZ-01Z型數(shù)字雨量計(jì)、溢流桶、自動(dòng)補(bǔ)水裝置、采集控制器、上位機(jī)系統(tǒng)、電源保證系統(tǒng)等組成。該蒸發(fā)系統(tǒng)以蒸發(fā)計(jì)、雨量計(jì)、溢流桶為基本觀測(cè)工具，以采集器自動(dòng)采集、處理、顯示蒸發(fā)、降水、溢流過(guò)程信息，自動(dòng)控制蒸發(fā)桶、溢流桶補(bǔ)、排水過(guò)程。FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器通過(guò)RS485口與設(shè)備室電腦連接，可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，上位機(jī)記錄顯示蒸發(fā)傳感器值、蒸發(fā)累加值、雨量計(jì)值、雨量累加值、溢流傳感器值、溢流量累加值，并且能夠顯示各種狀態(tài)。采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印。通過(guò)上位機(jī)還可以修改各設(shè)備通信地址，標(biāo)定時(shí)間，標(biāo)定日分界。自動(dòng)蒸發(fā)溢流量精度0.01 mm，自動(dòng)雨量分辨率0.1 mm，自動(dòng)蒸發(fā)量記錄精度0.1 mm，蒸發(fā)感量0.1 mm。

3 比測(cè)實(shí)驗(yàn)

比測(cè)情況將人工觀測(cè)數(shù)據(jù)與E601B型蒸發(fā)器、FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器自記數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證儀器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的可靠性。每天早上08：00進(jìn)行人工觀測(cè)，同時(shí)記錄人工與自記的差值。每天不定時(shí)對(duì)蒸發(fā)場(chǎng)進(jìn)行巡查，檢查自記儀器的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)排除，并記錄問(wèn)題發(fā)生的時(shí)間、緣由、解決問(wèn)題的時(shí)間，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

將儀器記錄的自記數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)按日、月蒸發(fā)量進(jìn)行相關(guān)分析、誤差分析，以確定儀器的可靠性及投產(chǎn)使用的可行性。

4 資料分析

收集2019年1月至8月E601B型蒸發(fā)器和20 m2蒸發(fā)池的FFZ-01Z型數(shù)字蒸發(fā)器記錄的數(shù)據(jù)，并與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)：排除冰凍、儀器故障，E601B型蒸發(fā)器共收集211組數(shù)據(jù)，20 m2蒸發(fā)池的FFZ-01Z型數(shù)字水面蒸發(fā)器共收集214組數(shù)據(jù)

4.1 粗差分析

分析蒸發(fā)觀測(cè)的樣本數(shù)據(jù)前，要先剔除粗大誤差。剔除明顯異常的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以降低對(duì)整個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的偏態(tài)影響，保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可靠性。本報(bào)告去除粗差的方法采用[3σ]準(zhǔn)則。[3σ]準(zhǔn)則又稱為拉依達(dá)準(zhǔn)則，它是先假設(shè)一組檢測(cè)數(shù)據(jù)只含有隨機(jī)誤差，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理得到標(biāo)準(zhǔn)偏差，按一定概率確定一個(gè)區(qū)間，認(rèn)為凡超過(guò)這個(gè)區(qū)間的誤差，就不屬于隨機(jī)誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除。[3σ]準(zhǔn)則適用于有多組數(shù)據(jù)時(shí)。具體方法為：首先根據(jù)全部數(shù)據(jù)計(jì)算[σ]，逐個(gè)檢查對(duì)比差值，若有[Xi-X>3σ]時(shí)，剔除其中一個(gè)最大者，再按計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的公式計(jì)算新的[σ]，若還有差值[Xi-X>3σ]，再剔除其中的一個(gè)最大者，又計(jì)算新的 [σ]，如此循環(huán)，直到?jīng)]有數(shù)據(jù)需要剔除為止。粗差率的計(jì)算公式為：

4.2 日蒸發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

將E601B型蒸發(fā)器自動(dòng)收集的211組日蒸發(fā)數(shù)據(jù)和20 m2蒸發(fā)池的FFZ-01Z型數(shù)字水面蒸發(fā)器自動(dòng)收集的214組日蒸發(fā)數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的人工觀測(cè)日蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，沒(méi)有超過(guò)1 mm的絕對(duì)誤差。具體結(jié)果見(jiàn)表1、2。

4.3 月蒸發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)收集到的8個(gè)月的月蒸發(fā)總量資料進(jìn)行對(duì)比分析：E601B型蒸發(fā)器的絕對(duì)誤差在0～1.7 mm（見(jiàn)表3）;20 m?蒸發(fā)池的絕對(duì)誤差在0.1～3.7 mm（見(jiàn)表4）。

對(duì)自記數(shù)據(jù)和人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析：E601B型蒸發(fā)器的相關(guān)系數(shù)為0.999 9（見(jiàn)圖3）;20 m?蒸發(fā)池的相關(guān)系數(shù)為0.999 1（見(jiàn)圖4），說(shuō)明自記與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性較強(qiáng)。

5 誤差分析

5.1 日觀測(cè)值誤差評(píng)定

由于現(xiàn)行蒸發(fā)規(guī)范沒(méi)有對(duì)蒸發(fā)觀測(cè)不確定度進(jìn)行說(shuō)明，本次評(píng)定參照《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138—2010）中的附錄E，對(duì)FFZ-01Z型數(shù)字水面蒸發(fā)器與人工蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度評(píng)定。

通過(guò)計(jì)算得出：無(wú)論是E601B蒸發(fā)器還是20 m?蒸發(fā)池，計(jì)算的系統(tǒng)不確定度[Xy"]、隨機(jī)不確定度[Xy']、綜合不確定度[XZ]，都低于精度控制的0.3。說(shuō)明該自記儀器的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)具有較高的可靠性，精度滿足要求。

5.2 月觀觀測(cè)值誤差評(píng)定

2019年1—8月E601B蒸發(fā)器的自記月蒸發(fā)值與人工觀測(cè)月蒸發(fā)值平均誤差為-0.90%，自記值偏小于人工觀測(cè)值;20 m2蒸發(fā)池的自記月蒸發(fā)值與人工觀測(cè)月蒸發(fā)值平均誤差為0.48%，自記值偏大于人工觀測(cè)值。

在8個(gè)月的數(shù)據(jù)對(duì)比中：E601B型蒸發(fā)器的誤差最大為-1.80%，最小為0;20 m2蒸發(fā)池的誤差最大為7.10%，最小為0.10%。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析，自記數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)系良好，兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性都十分接近于1.0，F(xiàn)FZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，精度滿足要求。

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