南宽坪水文站FFZ-01Z型自动水面蒸发器使用对比分析

张继辉，廉 波，赵文旭

（陕西省商洛水文水资源勘测局，陕西 商洛 726000）

1 前言

蒸发量的研究不仅在水量平衡中占有重要地位,而且对气候变化及水资源利用、工农业生产也有极其重要意义。蒸发量观测项目实现自动化对开展水文巡测，减轻职工劳动强度、提高工作效率、改善一线职工生活条件很有必要。商洛水文局2016年引进FFZ-01Z型数字式水面蒸发仪器，2016年4月份安装于南宽坪水文站，2016年5月开始与人工观测同步，进行对比试验研究，为开展水文巡测工作打下基础。

2 测站概况

2.1 测站简介

南宽坪水文站设于1959年1月，位于商洛市山阳县南宽坪镇，属于长江流域汉江上游水系金钱河，集水面积3936 km2，该站是汉江北岸区域代表站，同时也是金钱河流域的控制站，省界水质断面监测站。气候属于亚热带季风性半湿润气候，底热气候区；平均海拔500～800 m，最高1727 m，年平均气温14.8°～17.1°，多年平均降雨量785.4 mm。本站已经积累了58年人工观测蒸发资料，其观测资料连续、完整。资料自建站至2015年，非汛期1、2、11、12月应用20 mm蒸发皿观测，3～10月采用80套盆观测，2015年以后应用E601蒸发器。

2.2 试验场地概况

分析试验场地为南宽坪水文站气象观测场内，距金钱河2.5 km，气象场为16 m×20 m标准化建设，观测场附近的丘岗、建筑物、树木等遮挡物所造成的遮挡率小于25%；场地平整、清洁、无积水，地面种植草坪，场地四周设置有20 cm高的不锈钢护栏，场地内仪器布设南北向小于3 m，东西向大于4m，与栅栏距离小于3 m，依据《水面蒸发观测规范》SL 630-2013第2页蒸发观测场的设置布设[1]。

3 FFZ-01Z型数字式水面蒸发器主要特点及技术指标

FFZ-01Z型数字式水面蒸发器系自动蒸发器，可实现有人看管、无人值守，数据自动采集、存储、远传的特点，可解放劳动力、满足巡测要求。FFZ-01Z型数字式水面蒸发器采用计算机和采集器进行连接，通过RS485口和计算机相连接进行实时采集数据，计算机记录显示蒸发传感器值、蒸发值、雨量值、雨量累加值和溢流量累加值，并且能够显示各种状态。连接数传通信机（RTU），利用系统配套的应用软件可以实现水面蒸发过程信息的远程监测及资料整编入库。采用Access数据库进行数据处理和实现报表生成。通过计算机可以修改各设备通信地址，标定时间和标定日分界。

自动蒸发溢流量精度0.01 mm，自动雨量分辨率0.1 mm，自动蒸发量记录精度0.1 mm，蒸发感量0.1 mm。

FFZ-01Z型数字式水面蒸发器的监测过程可简化表示为：

式中：QF为水面蒸发量，mm；Wt为测量时刻（t）的蒸发桶水位，mm；W0为起算时刻的蒸发桶水位，mm；Wt、W0值由 FFZ-01 型数字水面蒸发计自动测量；Qj为被测时段内的降水量，Qj值由JFZ-01型数字雨量计提供，mm；Qy为被测时段内的溢流量，Qy值由测井自动测量，mm。

4 比测试验

4.1 比测目的

为开展水文巡测工作，解决蒸发量观测项目自动采集，商洛水文局引进FFZ-01Z型自动水面蒸发器，通过人工观测数据与该自动水面蒸发器采集的数据进行对比，了解该自动蒸发器使用的可靠性，稳定性，适用范围。

4.2 比测方法

FFZ-01Z型数字式水面蒸发器应严格按照《水面蒸发观测规范》SL630-2013中第6页，蒸发器的安装要求执行。调试仪器，清洗换水后应对仪器精度按照无降雨，有降雨、无溢流，有降雨、有溢流，分别进行蒸发准确度检验、降雨期间蒸发误差的检验、蒸发灵敏度检验和通讯传输检验。检验要求蒸发桶水位在700～900 mm之间进行。

每日早8：00进行人工观测，同时记录人工与自动蒸发器状况，每日18：00对蒸发场进行巡查，观察仪器运行状况；当清洗、换水、通讯故障应对故障原因，发生时间，解决办法予以详细记录。

获取数据后将自动蒸发数据与人工数据按日、月蒸发量进行相关分析、误差分析，论证仪器适用性。

5 资料分析

采集2016年5月至2017年10月，FFZ-01Z型数字蒸发器记录的数据，整理相应日、月人工观测蒸发数据资料，进行比对分析。经统计获取了18个月，549组日蒸发值数据资料。观测时段内无冰冻、数据真实可靠。

5.1 日蒸发数据对比分析

对获取的549组自动蒸发器日蒸发量数据与人工观测的日蒸发量数据进行统计分析，绝对误差超过1 mm的仅有13组，占统计数量的2.4%。（见表1）。

表1 自动蒸发器～人工观测日蒸发量绝对误差分析表

两组数据建立相关分析，相关系数0.9496，说明两组数据相关性较强（见附图2：自动～人工蒸发器日蒸发量相关关系图）。

图2 自动～人工蒸发器日蒸发量相关关系图

5.2 月蒸发数据对比分析

表2 自动蒸发器～人工观测月蒸发量分析表

两组数据进行相关分析，相关系数为0.9965，说明两组数据相关性较强（见图3）。

图3 自动蒸发～人工观测月蒸发量相关图

6 误差评定

6.1 日观测值误差评定

通过FFZ-01Z型自动水面蒸器在南宽坪水文站2016年5月～2017年10月，共18个月使用，共取得人工与自记对比测量日蒸发值549对，由于现行蒸发规范没有对蒸发观测不确定度说明，本次评定参照《水位观测标准》GB T 50138-2010中第66页附录E，对FFZ-01Z型自动水面蒸器与人工蒸发数据进行不确定度评定[2]。

（1）系统不确定度

（2）随机不确定度

（3）综合不确定度

式中：Pyi为自动蒸发站观测数据,单位：mm；Pi为人工观测动蒸数据，单位：mm；N为采集样本的数据个数。

经计算：系统不确定度Xy′=-0.135 mm

随机不确定度：Xy"=0.64 mm

综合不确定度：XZ=0.65 mm

按照置信水平95%，人工观测日蒸发值综合不确定度标准定为0.4 mm；置信水平95%，自动蒸发器测量日蒸发值综合不确定度标准设定为0.5 mm，自动蒸发器日测量值系统不确定度标准设定为0.1 mm。

人工观测与自动蒸发器二者测量值相对比评定，置信水平95%综合不确定度应为0.65 mm≈0.64 mm，说明该自动蒸发器日蒸发量值精度满足要求。

6.2 月年观测值误差评定

2016年蒸发量人工与自动误差为5%；2017年蒸发量人工与自动误差6%，自动量偏小于人工量，在7%误差内。

试验18个月中，月蒸发量人工与自动对比误差大于10%有1月，大于7%有3个月，平均误差在4%；16个月人工量大于自动量，2个月人工量小于自动量。自动蒸发量小于人工量，汛期误差小于非汛期。

7 结论及建议

（1）通过对比分析，自动站与人工观测数据关系很好，日观测值数据相关系数为K=0.95，94.6%日蒸发量满足精度要求；月年累计蒸发量误差约在6%以内。FFZ-01Z型数字式水面蒸发器可以应用自动监测，精度基本满足要求。

（2）本自动蒸发器测量值有系统偏差值约为-0.1 mm,建议调整参数设置，作系统修正，其自动蒸发器测量值精度会进一步提高。

（3）对于结冰期或故障日，一是绘制区域日蒸发量等值线图进行插补；二是发现故障及时恢复人工监测，确保全年资料完整可靠。

[1]SL 630-2013，水面蒸发观测规范[S].

[2]GB/T 50138-2010,水位观测标准[S].