黃 飛

（安徽省滁州水文水資源局，安徽 滁州 23900）

0 引言

隨著水文現(xiàn)代化改革的持續(xù)推進(jìn)， 水文資料收集在線自動(dòng)化取得了一定的成績(jī)。 水位雨量數(shù)據(jù)收集均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化， 二線能坡法和雷達(dá)側(cè)掃等自動(dòng)測(cè)流方法也在迅速推進(jìn)， 但蒸發(fā)要素的采集還依靠人工， 這不僅制約了我省水文現(xiàn)代化的發(fā)展， 也隨著中小河流等站網(wǎng)的建設(shè)增加了基層職工的勞動(dòng)強(qiáng)度， 與新發(fā)展時(shí)期下的水文發(fā)展道路不符。

為全面推進(jìn)水文現(xiàn)代化改革實(shí)現(xiàn)水文要素收集全自動(dòng)化，2017 年， 安徽省天長(zhǎng)水文站引進(jìn)了JYZF-01 型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)。 通過建立自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)，研究其測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性與一致性，探索出一條蒸發(fā)觀測(cè)自動(dòng)化的道路。 利用天長(zhǎng)水文站自動(dòng)蒸發(fā)與人工蒸發(fā)對(duì)比資料， 采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法分析自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性， 為論證蒸發(fā)自動(dòng)觀測(cè)替代人工觀測(cè)可行性提供數(shù)據(jù)支撐基礎(chǔ)。

1 水面自動(dòng)蒸發(fā)站系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

JYZF-01 型自動(dòng)水面蒸發(fā)系統(tǒng)由E601B 型蒸發(fā)桶、AG2.0 型超聲波水位傳感器、SL3-1 翻斗雨量傳感器、RTU 遙測(cè)終端機(jī)、 蒸發(fā)桶自動(dòng)補(bǔ)水裝置、水圈自動(dòng)補(bǔ)水裝置、自動(dòng)排水裝置、電源控制裝置以及數(shù)據(jù)無線傳輸裝置等組成， 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量水面蒸發(fā)、 自動(dòng)排水和補(bǔ)水等功。 圖1 為JYZF-01 型全自動(dòng)水面蒸發(fā)系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 JYZF-01 型全自動(dòng)水面蒸發(fā)系統(tǒng)組成示意圖

1.2 工作原理

1.2.1 蒸發(fā)量計(jì)算

根據(jù)水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范， 水面蒸發(fā)計(jì)算由式公（1）計(jì)算。 即

式中：E表示蒸發(fā)量 （單位mm）；h1表示上一觀測(cè)段制蒸發(fā)皿內(nèi)的液面高度（單位mm）；h2表示當(dāng)前觀測(cè)段制蒸發(fā)皿內(nèi)的液面高度 （單位mm）；p表示上一段制至當(dāng)前段制內(nèi)降水量， 由雨量傳感器測(cè)得，（單位mm）；q表示上一段制至當(dāng)前段制內(nèi)溢流量，由溢流傳感器測(cè)得（單位mm） 。

根據(jù)蒸發(fā)計(jì)算原理,自動(dòng)蒸發(fā)工作原理分為無降水時(shí)工作模式和有降水時(shí)工作模式兩種情況。

（1）無降水時(shí)

沒有降水時(shí)， 蒸發(fā)量就等于該段制蒸發(fā)皿內(nèi)液面高度與上一段制蒸發(fā)皿內(nèi)液面高度之差。 即

當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)的液面到達(dá)下限水位時(shí)RTU 終端機(jī)指令補(bǔ)水器自動(dòng)補(bǔ)水， 一直到設(shè)定水位線高度關(guān)閉， 并將補(bǔ)水后的液面高度作為下一段制觀測(cè)的起測(cè)點(diǎn)，用來測(cè)量計(jì)算下一段制的蒸發(fā)量[1]。

（2）有降水時(shí)

為應(yīng)對(duì)暴雨時(shí)雨量監(jiān)測(cè)誤差， 當(dāng)雨量傳感器監(jiān)測(cè)到降水時(shí)水位傳感器將每分鐘監(jiān)測(cè)一次水位。 RTU 終端每分鐘接受并實(shí)時(shí)處理降水量、降水強(qiáng)度、水位等數(shù)據(jù)，依據(jù)雨強(qiáng)大小做出以下處理。

①雨強(qiáng)≦4mm/min

若E 為負(fù)數(shù)則記作0。

②雨強(qiáng)＞4mm/min

此一分鐘內(nèi)蒸發(fā)量E 記作0。則某時(shí)段內(nèi)蒸發(fā)量可由該時(shí)段每分鐘蒸發(fā)量相加求得。1.2.2 水位傳感器測(cè)量原理

水位傳感器采用AG2.0 型超聲波水位傳感器，通過連接管將蒸發(fā)桶與靜水桶相連，利用連通器原理測(cè)量靜水桶內(nèi)水位高度。

2 數(shù)據(jù)采集與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

由于2017 年至2019 年設(shè)備不穩(wěn)定數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重，2019 年底對(duì)設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造，本次就以2020 年1 月 至2021 年11 月 共23 個(gè) 月666 組 有效的數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)錄入EXCEL 軟件，利用數(shù)據(jù)分析工具庫進(jìn)行比較分析。

2.2 分析方法

2.2.1 相對(duì)誤差分析法

相對(duì)誤差指的是測(cè)量所造成的絕對(duì)誤差與被測(cè)量（約定）真值之比乘以100%所得的數(shù)值，以百分?jǐn)?shù)表示[2]。 本文將同每月自動(dòng)蒸發(fā)總量減去人工觀測(cè)蒸發(fā)總量得到的絕對(duì)誤差值除以人工觀測(cè)值得相對(duì)誤差， 用以反映自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)值的可信程度。

2.2.2 數(shù)據(jù)符合率分析

符合率，即對(duì)比觀測(cè)期內(nèi)人工、自動(dòng)水面蒸發(fā)器比測(cè)絕對(duì)誤差小于1.0mm 的天數(shù)占總有效觀測(cè)天數(shù)的百分比[3]，以檢驗(yàn)自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2.3 相關(guān)回歸分析[4]

相關(guān)回歸分析法是處理多個(gè)變量之間相互關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法，是數(shù)理統(tǒng)計(jì)常用方法之一[5-6]。本文將自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)的數(shù)值x作為自變量，人工觀測(cè)蒸發(fā)的數(shù)值y作為因變量，對(duì)666 組蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析[7]，得出一元二次線性回歸方程。

3 結(jié)果分析

3.1 相對(duì)誤差分析

將上述收集到的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出相對(duì)誤差，結(jié)果見表1。 由表1 可以看出，比測(cè)期間內(nèi)自動(dòng)蒸發(fā)和人工蒸發(fā)每月總量相對(duì)誤差在-4.96%到4.42%之間，其中相對(duì)誤差值最大發(fā)生月在2021年1 月為-4.96%， 最小發(fā)生在2020 年10 月為-0.14%。 由于冬季結(jié)冰因素影響[3]，2021 年1 月相對(duì)誤差相差較大， 但在結(jié)冰期自動(dòng)蒸發(fā)可以停止觀測(cè)采用人工觀測(cè)插補(bǔ)。 總體來看自動(dòng)蒸發(fā)與人工蒸發(fā)相對(duì)誤差較小。

表1 天長(zhǎng)水文站自動(dòng)蒸發(fā)與人工蒸發(fā)比測(cè)相對(duì)誤差表

3.2 數(shù)據(jù)符合率分析

統(tǒng)計(jì)天長(zhǎng)水文站2020 年1 月1 日至2021 年11 月30 日自動(dòng)蒸發(fā)值與人工蒸發(fā)值絕對(duì)誤差小于1mm 的天數(shù)，計(jì)算每個(gè)月及比測(cè)期內(nèi)23 個(gè)月總體符合率。 結(jié)果見表2。

表2 天長(zhǎng)水文站自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)符合率分析表

從表2 中可看出，符合率最低出現(xiàn)在2021 年9 月份， 為83.3%， 其次為2020 年9 月份，為86.7%；符合率超過90%的月份有20 個(gè)，占總月份個(gè)數(shù)的87.0%， 其中符合率達(dá)100%的月份達(dá)8 個(gè)月。 可以看出自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)值與人工蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)值接近，自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)還是比較可靠的[4]，9 月份符合率偏低是由于受到汛期降水時(shí)自動(dòng)蒸發(fā)濺水原因?qū)е拢?此外暴雨期蒸發(fā)池汲水等非自然因素變化導(dǎo)致人工蒸發(fā)觀測(cè)誤差增大[3]。

3.3 相關(guān)回歸分析

以自動(dòng)觀測(cè)蒸發(fā)量為自變量x，人工觀測(cè)蒸發(fā)量為因變量y，對(duì)666 組人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)觀測(cè) 數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析[7]， 得到y(tǒng)=0.9168x+0.2009，R2=0.9071。線性回歸圖見圖2，從圖中可以看出， 自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)值與人工蒸發(fā)數(shù)值二者呈一次函數(shù)關(guān)系，具備線性相關(guān)關(guān)系。

圖2 人工與自動(dòng)蒸發(fā)線性回歸分析圖

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1） 相對(duì)誤差分析與數(shù)據(jù)符合率分析結(jié)果表明，自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)精度高。 比測(cè)期間總體數(shù)據(jù)符合率達(dá)到94.3%，總體結(jié)果滿足資料整編要求。

（2）相關(guān)回歸分析結(jié)果表明，所建立的回歸方程y=0.9168x+0.2009，R2=0.9071 完整表達(dá)有效，自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)值與人工蒸發(fā)數(shù)值二者呈一次函數(shù)關(guān)系，具備線性相關(guān)關(guān)系。

（3）通過本文研究可以得出，自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)精度高數(shù)據(jù)可靠，可用自動(dòng)蒸發(fā)替代人工觀測(cè)。

4.2 建議

（1）設(shè)備需要定期維護(hù)，確保設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2） 設(shè)備箱內(nèi)增加散熱裝置保證夏季高溫期設(shè)備穩(wěn)定。

（3）為保證設(shè)備觀測(cè)精度和穩(wěn)定性，確保收集到的資料可靠，需要定期進(jìn)行人工觀測(cè)校核。 □