張莉 楊鑫 張德佩

摘 要：水面蒸發(fā)是水循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是水文學(xué)研究的一個重要課題。目前，常用的水面蒸發(fā)觀測方法是器測法，該方法需要人工定時觀測蒸發(fā)器內(nèi)的水面高度變化、降水和溢流量，進而計算蒸發(fā)量。FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器是目前比較先進的自動觀測蒸發(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)器在丹江口水庫蒸發(fā)站收集的蒸發(fā)數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，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)的過程，是水文循環(huán)過程中的一個重要環(huán)節(jié)[1]。水面蒸發(fā)是水庫、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)的研究對流域水量平衡、水資源評價、水利工程規(guī)劃設(shè)計及有效利用水資源等都有重要意義。

1 測站概況

1.1 測站簡介

丹江口水庫蒸發(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)驗公式及氣象因子與蒸發(fā)量的關(guān)系等，同時也為水資源研究、降雨徑流預(yù)報[2]以及丹江口水利樞紐的調(diào)度運行和南水北調(diào)中線工程運行提供水面蒸發(fā)及其附屬項目的觀測數(shù)據(jù)。為了提高工作效率，減輕工作強度，丹江口水庫蒸發(fā)站在建站時就采購安裝了FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器。

1.2 蒸發(fā)觀測場介紹

蒸發(fā)觀測場位于丹江口大壩左岸，距丹江口大壩主壩約2 km。蒸發(fā)場址平坦空曠，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，是全長江流域乃至全國最大的蒸發(fā)觀測場。蒸發(fā)場安裝有蒸發(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、土壤濕度儀、日照輻射儀、地溫計、雨量器等。

2 FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器簡介

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)原中華人民共和國水利電力部《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SD 265—88）和中國氣象局2003年版《地面氣象觀測規(guī)范》相關(guān)要求制造的，用于自動觀測水面蒸發(fā)過程。

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、溢流桶、自動補水裝置、采集控制器、上位機系統(tǒng)、電源保證系統(tǒng)等組成。該蒸發(fā)系統(tǒng)以蒸發(fā)計、雨量計、溢流桶為基本觀測工具，以采集器自動采集、處理、顯示蒸發(fā)、降水、溢流過程信息，自動控制蒸發(fā)桶、溢流桶補、排水過程。FFZ-01Z型數(shù)字式水面蒸發(fā)器通過RS485口與設(shè)備室電腦連接，可實時采集數(shù)據(jù)，上位機記錄顯示蒸發(fā)傳感器值、蒸發(fā)累加值、雨量計值、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)庫進行數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)報表打印。通過上位機還可以修改各設(shè)備通信地址，標(biāo)定時間，標(biāo)定日分界。自動蒸發(fā)溢流量精度0.01 mm，自動雨量分辨率0.1 mm，自動蒸發(fā)量記錄精度0.1 mm，蒸發(fā)感量0.1 mm。

3 比測實驗

比測情況將人工觀測數(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)進行對比，驗證儀器自動采集數(shù)據(jù)的可靠性。每天早上08：00進行人工觀測，同時記錄人工與自記的差值。每天不定時對蒸發(fā)場進行巡查，檢查自記儀器的運行狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時排除，并記錄問題發(fā)生的時間、緣由、解決問題的時間，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

將儀器記錄的自記數(shù)據(jù)與人工觀測的數(shù)據(jù)按日、月蒸發(fā)量進行相關(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)，并與人工觀測數(shù)據(jù)進行對比分析。經(jīng)統(tǒng)計：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數(shù)據(jù)，可以降低對整個統(tǒng)計結(jié)果的偏態(tài)影響，保證統(tǒng)計結(jié)果的可靠性。本報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)一組檢測數(shù)據(jù)只含有隨機誤差，對其進行計算處理得到標(biāo)準(zhǔn)偏差，按一定概率確定一個區(qū)間，認(rèn)為凡超過這個區(qū)間的誤差，就不屬于隨機誤差而是粗大誤差，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。具體方法為：首先根據(jù)全部數(shù)據(jù)計算[σ]，逐個檢查對比差值，若有[Xi-X>3σ]時，剔除其中一個最大者，再按計算標(biāo)準(zhǔn)差的公式計算新的[σ]，若還有差值[Xi-X>3σ]，再剔除其中的一個最大者，又計算新的 [σ]，如此循環(huán)，直到?jīng)]有數(shù)據(jù)需要剔除為止。粗差率的計算公式為：

4.2 日蒸發(fā)數(shù)據(jù)對比分析

將E601B型蒸發(fā)器自動收集的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)器自動收集的214組日蒸發(fā)數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的人工觀測日蒸發(fā)數(shù)據(jù)進行對比分析，沒有超過1 mm的絕對誤差。具體結(jié)果見表1、2。

4.3 月蒸發(fā)數(shù)據(jù)對比分析

對收集到的8個月的月蒸發(fā)總量資料進行對比分析：E601B型蒸發(fā)器的絕對誤差在0～1.7 mm（見表3）;20 m?蒸發(fā)池的絕對誤差在0.1～3.7 mm（見表4）。

對自記數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析：E601B型蒸發(fā)器的相關(guān)系數(shù)為0.999 9（見圖3）;20 m?蒸發(fā)池的相關(guān)系數(shù)為0.999 1（見圖4），說明自記與人工觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性較強。

5 誤差分析

5.1 日觀測值誤差評定

由于現(xiàn)行蒸發(fā)規(guī)范沒有對蒸發(fā)觀測不確定度進行說明，本次評定參照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50138—2010）中的附錄E，對FFZ-01Z型數(shù)字水面蒸發(fā)器與人工蒸發(fā)數(shù)據(jù)進行不確定度評定。

通過計算得出：無論是E601B蒸發(fā)器還是20 m?蒸發(fā)池，計算的系統(tǒng)不確定度[Xy"]、隨機不確定度[Xy']、綜合不確定度[XZ]，都低于精度控制的0.3。說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 月觀觀測值誤差評定

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

在8個月的數(shù)據(jù)對比中：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

通過對比分析，自記數(shù)據(jù)與人工觀測數(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)器可以實現(xiàn)自動監(jiān)測，精度滿足要求。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.水面蒸發(fā)觀測規(guī)范：SL 630—2013[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2]中華人民共和國水利部.降水量觀測規(guī)范：SL 21—2006[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]中華人民共和國水利部.水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)：SL 276—2002[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范 第10部分：蒸發(fā)觀測：QX/T 54—2007[S].北京：氣象出版社，2007.

[5]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范 第8部分：降水觀測：QX/T 52—2007[S].北京：氣象出版社，2007.