劉鐵林,匡 剛,歐陽(yáng)欣欣
(1.江西省水文監(jiān)測(cè)中心,江西 南昌,330000;2.修河水文水資源監(jiān)測(cè)中心,江西 九江,332000;3.贛江下游水文水資源監(jiān)測(cè)中心,江西 宜春,336000)
水面蒸發(fā)資料是防汛抗旱的水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水資源評(píng)價(jià)分析、水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)等重要的基礎(chǔ)資料,其資料準(zhǔn)確與否十分重要,現(xiàn)行《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)[1]明確規(guī)定,水面蒸發(fā)觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)儀器為E601-B型,采用測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)水面高度應(yīng)讀至0.1mm、兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm,溢流量測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到0.1mm。隨著科技高速發(fā)展,光電編碼[2]和磁致伸縮[3]等技術(shù)在水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的自動(dòng)蒸發(fā)與人工比測(cè)試驗(yàn)研究工作[4,5],為水面蒸發(fā)新技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用作出了重要貢獻(xiàn),但對(duì)水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)水面高度測(cè)量精度野外檢查和評(píng)定并未進(jìn)行專門研究。2012年以來,江西省水文局陸續(xù)新建了40余處水面自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測(cè)站,就不同型號(hào)儀器設(shè)備開展了大量的比測(cè)和試驗(yàn)研究工作,總結(jié)了一些設(shè)備檢查維護(hù)經(jīng)驗(yàn)和檢定方法。本論文主要以高沙水文站為例,通過人工模擬水面蒸發(fā)值與自動(dòng)觀測(cè)蒸發(fā)值的試驗(yàn)和誤差分析,對(duì)水面高度測(cè)量傳感器的安裝、測(cè)量精度等進(jìn)行綜合評(píng)定,探索水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)水面高度測(cè)量精度野外檢查和評(píng)定的方法,以供水文工作者參考。
高沙水文站位于江西省九江市修水縣四都鎮(zhèn)高沙村,東經(jīng) 114°35′,北緯 29°04′,2010 年起開始采用E601-B標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器人工觀測(cè)水面蒸發(fā)。觀測(cè)場(chǎng)地尺寸為12m×12m,遮擋率為5%,場(chǎng)地內(nèi)安裝有雨量器、翻斗式雨量計(jì)、水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、岸溫計(jì)、氣象百葉箱等設(shè)備,場(chǎng)地環(huán)境和儀器設(shè)備布設(shè)等符合《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)要求。2016年引進(jìn)了水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其水面高度測(cè)量主要采用光電軸角編碼技術(shù),該技術(shù)具有高精度、低轉(zhuǎn)矩、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),是目前江西省水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中水面高度測(cè)量應(yīng)用最多的傳感技術(shù),選擇該站進(jìn)行試驗(yàn)研究具有典型代表意義。經(jīng)近年來的野外比測(cè)試驗(yàn)研究和完善改進(jìn),該站水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定,精度滿足規(guī)范要求,資料質(zhì)量可靠且已納入資料整編。
1.2.1 結(jié)構(gòu)組成及功能
高沙水文站水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由E601-B型蒸發(fā)器、靜水桶、雨量計(jì)、補(bǔ)水裝置、控制閥、控制箱(控制系統(tǒng))、供電系統(tǒng)和RTU等主要部件組成,結(jié)構(gòu)組成詳見圖1,安裝布局見圖2。該系統(tǒng)具有自動(dòng)控制溢流和補(bǔ)水控制等功能,可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器水面高度、降水量、溢流量、水面蒸發(fā)量自動(dòng)采集、傳輸、處理,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)并通過RTU傳輸至中心平臺(tái)。其中,光電式軸角編碼器為蒸發(fā)器水面高度測(cè)量核心部件,屬于絕對(duì)值型非接觸式編碼器,由扇形全金屬碼盤、微型光電開關(guān)、IC芯片、主軸、軸承、精密傳動(dòng)齒輪系、輸出線纜、金屬殼體等組成,測(cè)量原理為:通過扇形全碼盤的旋轉(zhuǎn),由微型光電開關(guān)讀取碼盤形成編碼數(shù)據(jù)。
圖1 水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖2 水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝平面圖
1.2.2 系統(tǒng)原理
1.2.2.1 補(bǔ)水機(jī)制
無(wú)降水日時(shí),采集器自動(dòng)采集蒸發(fā)器水面高度計(jì)算蒸發(fā)量。當(dāng)蒸發(fā)器水面高度降至補(bǔ)水線(儀器顯示值小于70)時(shí),在觀測(cè)日分界時(shí)刻(8:00)控制補(bǔ)水泵進(jìn)行補(bǔ)水至水面高度標(biāo)志線(儀器顯示值80左右),待水面穩(wěn)定后采集水面高度,作為下一時(shí)段的蒸發(fā)量起算點(diǎn)。
1.2.2.2 溢流機(jī)制
在降水日,當(dāng)蒸發(fā)器水面高度升高至溢流線時(shí)(儀器顯示值大于90),采集器驅(qū)動(dòng)電磁閥門關(guān)閉,采集記錄此刻的水面高度后,啟動(dòng)溢流泵排出靜水桶內(nèi)的水,當(dāng)靜水桶內(nèi)的水面高度下降到一定高度時(shí),溢流泵停止工作,再次采集記錄水面高度,并計(jì)算此次排水的水面高度差,根據(jù)靜水桶的橫截面積計(jì)算出此次的溢流量,采集器再打開電磁閥等待下次溢流,直至儀器顯示值約等于80為止。
1.2.2.3 蒸發(fā)器與靜水桶之間的關(guān)系
靜水桶與蒸發(fā)器之間采用連通管相連。靜水桶和蒸發(fā)器埋設(shè)深度均為40cm,連通管水平安裝,管徑為5cm,水面表面張力影響可忽略不計(jì),靜水桶內(nèi)有浮子式水位計(jì)(光電式軸角編碼),根據(jù)連通管原理,靜水桶可代表蒸發(fā)器水位。蒸發(fā)器與靜水桶的截面積比為10:1,蒸發(fā)器蒸發(fā)水量與靜水桶測(cè)量水位變幅換算系數(shù)為1.1,即:當(dāng)E601-B型蒸發(fā)器的水面變化1.0mm相當(dāng)于實(shí)際蒸發(fā)量1.1mm。
1.2.2.4 水面蒸發(fā)量計(jì)算
根據(jù)補(bǔ)水機(jī)制和溢流機(jī)制,該系統(tǒng)水面蒸發(fā)計(jì)算方法和原理符合《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)要求,詳見式(1):
式中:E為水面蒸發(fā)量,mm;P為被測(cè)時(shí)段內(nèi)的降水量,mm;h1為測(cè)量t時(shí)刻的蒸發(fā)器水面高度,mm;h2為起算時(shí)刻的蒸發(fā)器水面高度,mm;h溢為被測(cè)時(shí)段內(nèi)的溢流量,mm。
從公式(1)和溢流量測(cè)定機(jī)制可知,水面蒸發(fā)量觀測(cè)準(zhǔn)確性關(guān)鍵取決于降水量和水面高度測(cè)量的精度。雨量計(jì)安裝調(diào)試試驗(yàn)方法可參考《降水量觀測(cè)規(guī)范》(SL21-2015)[6]執(zhí)行,本文著重討論水面高度測(cè)量精度的野外檢查和評(píng)定方法,主要從其精密度、正確度和準(zhǔn)確度等方面進(jìn)行評(píng)定[7]。水面蒸發(fā)是一個(gè)漸變發(fā)生過程,利用天然水面蒸發(fā)過程進(jìn)行水面高度測(cè)量精度試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、操作性差,為提高野外試驗(yàn)時(shí)效性和可操作性,擬采用從蒸發(fā)器中取水的方式模擬水面蒸發(fā)過程的水面高度變化量,對(duì)儀器的水面高度測(cè)量精度進(jìn)行檢查和評(píng)定,現(xiàn)就檢查器具選定、取水模擬蒸發(fā)方法、步驟和誤差計(jì)算評(píng)定等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行探討。
現(xiàn)行《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)明確規(guī)定,水面蒸發(fā)觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)儀器為E601-B型,采用測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)水面高度應(yīng)讀至0.1mm、兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm,溢流量測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到0.1mm。作為水面高度測(cè)量精度評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)值,模擬水面蒸發(fā)量應(yīng)近似真值,其測(cè)量精度應(yīng)比蒸發(fā)測(cè)針測(cè)量精度(讀數(shù)分辨率0.1mm)最少高一個(gè)量級(jí)。在試驗(yàn)中應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具作為雨量觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器具,本研究采用水文部門量雨杯作為取水模擬蒸發(fā)量的計(jì)量器具。
量雨杯最小刻度為0.1mm,即最大讀數(shù)誤差為0.1mm,換算體積誤差為3.14ml,折合E601蒸發(fā)器的水面高度變化量為0.01mm,比水面蒸發(fā)測(cè)針的讀數(shù)誤差0.1mm高一個(gè)量級(jí)。按照水質(zhì)分析的容積量測(cè)操作要求,以鑒定后的 10ml、20ml、50ml、100ml等不同量程的水質(zhì)分析計(jì)量器具為準(zhǔn),對(duì)量雨杯的量積誤差情況進(jìn)行檢查。檢查結(jié)果表明:量雨杯量積隨機(jī)誤差約為±0.3ml,折合E601-B蒸發(fā)器的水面高度變化量為0.01mm,遠(yuǎn)小于量雨杯最小刻度0.1mm折合的水量體積(3.14ml);但系統(tǒng)誤差約為-0.3ml/10mm(量雨杯內(nèi)壁殘留水滴損失所致),折合E601-B蒸發(fā)器的水面高度變化量為-0.01mm,將導(dǎo)致取水模擬蒸發(fā)量偏少約0.1%。因此,選用量雨杯作為模擬水面蒸發(fā)取水的計(jì)量器具是可行的。同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備水勺、洗耳球或移液管、水桶等用具。
從蒸發(fā)器中取水的方式模擬水面蒸發(fā)過程的水面高度變化量,應(yīng)能滿足水面高度測(cè)量精密度、正確度和準(zhǔn)確度的精度評(píng)定要求,并應(yīng)考慮野外試驗(yàn)環(huán)境影響、工作量和可操作性等方面。就滿足精度評(píng)定要求而言,每次宜以0.1mm蒸發(fā)量取水并全量程覆蓋最高和最低水面高度變幅(達(dá)20mm),需取水200次,按每次取水后需等待采集器與蒸發(fā)器的水面高度保持一致方可采集水面高度(約需1min)計(jì),整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間達(dá)200min。該方法模擬蒸發(fā)過程耗時(shí)過長(zhǎng),很有可能因蒸發(fā)量損失(尤其是夏季)反而影響精度試驗(yàn)結(jié)果,可操作性差。為減少因蒸發(fā)損失帶來誤差(夏季日蒸發(fā)量可達(dá)10mm或以上),野外試驗(yàn)不宜超過1小時(shí)。綜合考慮水面高度測(cè)量精度評(píng)定需要和試驗(yàn)期間蒸發(fā)損失等因素,確立取水模擬蒸發(fā)原則為:以1.0mm均勻分布并適當(dāng)重復(fù)0.1mm、0.2mm、0.5mm不同量級(jí),詳見表1第5列。
表1 高沙站自動(dòng)蒸發(fā)水面高度觀測(cè)精度試驗(yàn)記錄表
為減少量雨杯量積誤差,取水過程宜采用讀取累積取水量的方法,其對(duì)應(yīng)的累積取水量(蒸發(fā)量深度)分別為:0.1mm,0.2mm…22.0mm(詳見表1第3列)。E601-B蒸發(fā)器口面積為3 000cm2,雨量器器口面積為314cm2;折合成量雨杯的量測(cè)讀數(shù)詳見表1第2列,其換算關(guān)系見式(2);
式中:E取為量雨杯取水讀數(shù),mm;E模為模擬蒸發(fā)量(人工取水量折合成蒸發(fā)值),mm。
為避免風(fēng)力、降水的影響和減少蒸發(fā)損失,水面高度測(cè)量精度野外檢查宜在無(wú)降水的早晨或傍晚、風(fēng)速較小的時(shí)候進(jìn)行。根據(jù)野外試驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn),確定取水檢查步驟如下:
(1)清洗量雨杯、水勺、水桶、洗耳球或移液管等器具;
(2)檢查儀器設(shè)備運(yùn)行是否正常、連通管道是否漏水,進(jìn)入儀器設(shè)備測(cè)試狀態(tài)或清洗模式;
(3)向蒸發(fā)器緩慢加水至接近溢流線時(shí)為止,待蒸發(fā)器與靜水桶水面高度一致(儀器顯示值穩(wěn)定),記錄儀器顯示水面高度(初始值);
(4)利用水勺、洗耳球或移液管、雨量杯,按照表1第3列依次從蒸發(fā)器累積取出水量,每次取出水量后,待蒸發(fā)器與靜水桶水面高度一致(儀器顯示值穩(wěn)定),分別記錄儀器顯示水面高度和實(shí)際取出水量;為減少量雨杯讀數(shù)帶來的累積誤差,宜采用讀取累積取水量的方法,每當(dāng)量雨杯量取水量達(dá)10mm,全部倒入水桶中(要注意盡量減少量雨杯掛壁水滴的損失和水量散失);
(5)整個(gè)取水和測(cè)記過程結(jié)束后,將水桶中取出的水全部緩慢倒回蒸發(fā)器內(nèi),待蒸發(fā)器與靜水桶水面高度一致(儀器顯示值穩(wěn)定),再次記錄儀器顯示水面高度,檢查水面高度記錄是否與初始值一致;
(6)取出蒸發(fā)器內(nèi)水量至水面高度標(biāo)志線(儀器顯示值80左右),退出儀器設(shè)備測(cè)試狀態(tài)或清洗模式,進(jìn)入日常觀測(cè)模式;
(7)器具歸位,試驗(yàn)結(jié)束。
對(duì)水面蒸發(fā)水面高度自動(dòng)測(cè)量的精密度、正確度和準(zhǔn)確度以及人工與自動(dòng)觀測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)比對(duì)分析等方面進(jìn)行評(píng)定,需計(jì)算絕對(duì)誤差[8]、平均絕對(duì)誤差和綜合不確定度等,計(jì)算公式和方法如下:
(1)絕對(duì)誤差:測(cè)量值與真實(shí)值之差,即自動(dòng)水面蒸發(fā)觀測(cè)值與人工取出水量折合成蒸發(fā)值之差,如式(3):
式中:△t為絕對(duì)誤差,mm;E自動(dòng)為水面蒸發(fā)自動(dòng)觀測(cè)蒸發(fā)量,mm;E模為模擬蒸發(fā)量(人工取水量折合成蒸發(fā)值),mm。
(2)平均絕對(duì)誤差:絕對(duì)誤差累計(jì)值除以試驗(yàn)次數(shù),如式(4):
式中:α為平均絕對(duì)誤差,mm;其余符號(hào)意義同前。
(3)綜合不確定度:觀測(cè)不確定度按2倍的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,如式(5)和(6):
式中:Se為觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差,mm;δ為綜合不確定度,mm;其余符號(hào)意義同前。
選擇一個(gè)無(wú)雨日早晨,按照確立的試驗(yàn)步驟和誤差計(jì)算方法進(jìn)行三次試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)計(jì)算各項(xiàng)誤差,第一次試驗(yàn)記錄見表1,三次試驗(yàn)成果匯總見表2。
表2 高沙站自動(dòng)蒸發(fā)水面高度觀測(cè)精度試驗(yàn)成果匯總表
根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)誤差分析理論,精度評(píng)定擬從精密度、正確度、準(zhǔn)確度三個(gè)方面進(jìn)行分析評(píng)定。
3.2.1 精密度評(píng)定與討論
精密度是反應(yīng)蒸發(fā)器水面高度測(cè)量結(jié)果隨機(jī)誤差大小的程度。水面蒸發(fā)和水面高度測(cè)量傳感技術(shù)精密度不僅取決于讀數(shù)分辨力,同時(shí)還受水的張力和傳感部件的機(jī)械阻力等綜合影響,擬從儀器的靈敏度和絕對(duì)誤差變幅兩個(gè)方面進(jìn)行分析,因蒸發(fā)量較小,不采用相對(duì)誤差進(jìn)行分析。
(1)從表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,5次重復(fù)量取0.1mm蒸發(fā)量進(jìn)行試驗(yàn),蒸發(fā)器自記水面高度相應(yīng)變化量為0.1mm,說明其靈敏度與儀器分辨率一致,根據(jù)現(xiàn)行《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(L630-2013)“采用測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)水面高度應(yīng)讀至0.1mm”的要求,該儀器水面高度測(cè)量靈敏度符合要求。
(2)從 0.1mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm 不同量程的重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果來看,其絕對(duì)誤差變幅為-0.1~0.1mm,根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)“采用測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)水面高度兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm”的要求,該儀器水面高度測(cè)量隨機(jī)誤差規(guī)范符合要求。
3.2.2 正確度評(píng)定與討論
正確度是反應(yīng)水面高度測(cè)量結(jié)果系統(tǒng)誤差大小的程度,擬采用的平均絕對(duì)誤差(絕對(duì)誤差累計(jì)值/取水次數(shù))和累計(jì)相對(duì)誤差(絕對(duì)誤差累計(jì)值/取水總量)進(jìn)行評(píng)定。從表1可知,平均絕對(duì)誤差為-0.006mm,累計(jì)相對(duì)誤差為-0.9%(其中含試驗(yàn)過程中量雨杯內(nèi)壁殘留水滴損失約偏小0.1%),儀器水面高度測(cè)量值系統(tǒng)略偏小?!端嬲舭l(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)對(duì)水面高度測(cè)量正確度評(píng)定未明確規(guī)定,擬以“采用測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)水面高度兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm”作為評(píng)定依據(jù),該儀器水面高度測(cè)量正確度符合要求。
3.2.3 準(zhǔn)確度評(píng)定與討論
準(zhǔn)確度是反應(yīng)水面高度測(cè)量系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合誤差大小的程度,表示測(cè)量值與真值的一致程度,擬以隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合不確定度進(jìn)行評(píng)定。從表1可知,本次試驗(yàn)綜合不確定度為0.05mm,《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)對(duì)水面高度測(cè)量準(zhǔn)確度評(píng)定未明確規(guī)定,擬以“采用測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)水面高度兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm”作為評(píng)定依據(jù),該儀器水面高度測(cè)量準(zhǔn)確度符合要求。
通過本文分析研究,水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)水面高度測(cè)量精度野外檢查和評(píng)定非常有必要,是檢查和判別水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備安裝調(diào)試是否符合規(guī)范要求重要的方法和依據(jù)。本文提出的水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)水面高度測(cè)量精度野外檢查和評(píng)定的理論依據(jù)充分、方法可行,可供其他類似水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備水面高度測(cè)量精度試驗(yàn)參考,主要結(jié)論如下:
(1)通過水面高度測(cè)量精度野外試驗(yàn)和評(píng)定,可知高沙站水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水面高度測(cè)量精度符合規(guī)范要求。
(2)雨量杯的量積誤差精度比《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)規(guī)定的蒸發(fā)測(cè)針測(cè)量精度高一個(gè)量級(jí),可作為模擬蒸發(fā)取水量積的器具。
(3)本文提供的水面高度測(cè)量精度野外檢查方法和步驟,綜合考慮了滿足水面高度測(cè)量精度評(píng)定的需要、試驗(yàn)期間蒸發(fā)損失和取水量積誤差等因素,取水模擬蒸發(fā)的方法和試驗(yàn)步驟具有可操作性和參考價(jià)值。
(4)水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)水面高度測(cè)量的精密度、正確度和準(zhǔn)確度等評(píng)定方法理論依據(jù)充分,符合水文測(cè)驗(yàn)誤差評(píng)定要求。
(1)受場(chǎng)地環(huán)境、降水、風(fēng)沙、儀器性能、安裝方式等因素影響,影響水面蒸發(fā)觀測(cè)因素較多,本文僅對(duì)水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的水面高度測(cè)量精度誤差進(jìn)行了試驗(yàn)研究,建議進(jìn)一步對(duì)影響水面蒸發(fā)觀測(cè)的降水誤差、風(fēng)沙誤差、濺水誤差等進(jìn)行試驗(yàn)研究。
(2)為大力推動(dòng)現(xiàn)代化技術(shù)在水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用,建議對(duì)現(xiàn)行的《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》(SL630-2013)進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充和完善,明確水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)水面高度測(cè)量精度野外檢查和評(píng)定的方法、步驟和評(píng)定指標(biāo)。