降蒸一體化自動監(jiān)測系統(tǒng)在萍鄉(xiāng)水文站的應用分析

劉衛(wèi)根，易 珍，黃 敏，姚國龍，劉永紅，張鄭維

（贛江下游水文水資源監(jiān)測中心，江西 宜春 336000）

經過長期努力，水文要素的實時在線監(jiān)測取得了長足的進步。水位、降水量觀測在江西省已基本實現(xiàn)了自動采集、存儲和報汛；流量測驗采用水文纜道、聲學多普勒流速剖面儀或雷達波在線測流系統(tǒng)，也基本實現(xiàn)了自動或半自動測驗[1]，黃敏、劉運珊等分別對走航式ADCP和雷達波在線測流系統(tǒng)的測驗精度進行了分析研究，分析儀器設備的測驗精度和適用性[2，3]。

蒸發(fā)自動觀測進展相對緩慢，但近年來也取得了一定的突破。為推進水文要素全自動化監(jiān)測，推廣和使用水面蒸發(fā)自動測報技術，提高測報的準確性和實效性，萍鄉(xiāng)水文站于2019年4月安裝了降蒸一體化自動監(jiān)測系統(tǒng)——FFZ-01型自動水面蒸發(fā)站，并與E601B型蒸發(fā)器進行了為期17個月的比對觀測，并用統(tǒng)計方法對比測結果進行分析，探索自動蒸發(fā)觀測代替人工觀測的可行性。

1 萍鄉(xiāng)水文站概況

萍鄉(xiāng)水文站于2018年1月建站，位于江西省萍鄉(xiāng)市安源區(qū)五陂鎮(zhèn)冊雷村，控制流域面積為479km2，為國家基本水文站、區(qū)域代表站，觀測項目有水位、流量、降水量、蒸發(fā)量。其中水位、雨量均已實現(xiàn)在線監(jiān)測，采用遙測數(shù)據(jù)進行整編。

觀測場地勢為北高南低，北面為站房，南面為菜地，西面和東面為雜草地，土質為黏土和沙壤土。觀測場地面高程為108.56m（1985國家高程基準）。

觀測場內主要儀器設備有JQH-1型人工雨量器、JDQS-05型智能翻斗式遙測雨量計、E601B型蒸發(fā)器、FFZ-01型自動水面蒸發(fā)站。

2 降蒸一體化自動監(jiān)測系統(tǒng)組成、工作原理[4]

2.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主體結構為FFZ-01型自動水面蒸發(fā)站，由E601B型蒸發(fā)器、置于靜水桶上的蒸發(fā)水面檢測傳感器、溢流量控制檢測傳感器、數(shù)字式降雨量檢測傳感器、放置在蒸發(fā)水面檢測傳感器內的數(shù)據(jù)處理和存儲控制器、補水裝置、電源裝置等組成。其中雨量計和蒸發(fā)計分辨率均為 0.1mm，溢流量的分辨率為 0.01mm，符合相關國家標準最高等級要求。

2.2 工作原理

本系統(tǒng)以蒸發(fā)計和雨量計為基本觀測工具，蒸發(fā)計將蒸發(fā)桶內的水位轉化成數(shù)字量、雨量計提供降雨量、數(shù)據(jù)采集控制終端負責計算蒸發(fā)量和溢流量并且控制水泵進行補水和溢流。

采集器通過RS485/232通信接口分別與上位機系統(tǒng)、數(shù)傳通信機（RTU）連接，在電腦上打開數(shù)據(jù)接收平臺系統(tǒng)，輸入具備權限的用戶名和密碼，登陸后即可查詢、下載歷史和實時數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)水面蒸發(fā)量的在線自動化測報。

3 數(shù)據(jù)采集和分析方法

3.1 數(shù)據(jù)采集

收集了2019年4月1日至2020年8月31日共17個月人工觀測和自動監(jiān)測日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。2019年12月份至2020年3月份，儀器出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)缺失較多；剔除故障期103天數(shù)據(jù)不完整部分，得到416天有效人工和自動日蒸發(fā)量資料。收集的蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)真實可靠，可用于比測分析。

3.2 分析方法

3.2.1 差值分析

測量值與真實值之差，稱為絕對誤差。本文將同一日自動蒸發(fā)量減去人工觀測蒸發(fā)量，得到各日蒸發(fā)差值（絕對誤差），統(tǒng)計比測期間各日蒸發(fā)差值分布情況。

3.2.2 自動與人工蒸發(fā)觀測一致率分析

一致率，即對比觀測期內人工、自動水面蒸發(fā)比測絕對誤差小于1.0mm的天數(shù)，占總有效觀測天數(shù)的百分比[5]。

3.2.3 F 檢驗[6，7]

3.2.4 t檢驗[6，8]

t檢驗是以數(shù)理統(tǒng)計為基礎的一種檢驗方法，又稱Student's t檢驗，可用于檢驗兩個樣本平均數(shù)與其各自所代表的總體的差異是否顯著，從而檢驗2個數(shù)據(jù)序列是否存在顯著差異性。水文學中常用t檢驗來判定穩(wěn)定的水位流量關系是否發(fā)生了顯著變化，相鄰年份是否需要分別定線等。本文采用學生氏t檢驗來判定兩組數(shù)據(jù)（人工觀測和自動監(jiān)測蒸發(fā)量）是否發(fā)生顯著變化。

3.2.5 回歸分析[6]

4 結果分析

4.1 差值分析

將上述收集到的416天人工觀測蒸發(fā)量和自動蒸發(fā)觀測值進行比測分析，計算觀測差值，結果見表1。

由表1可以看出，比測期內自動和人工蒸發(fā)比測差值在-1.0≤δ＜0范圍內的占比29.6%，在0≤δ＜1.0范圍內占比61.3%，在-1.0≤δ＜1.0范圍的比例達到90.9%。其中，無雨日自動和人工蒸發(fā)比測差值在-1.0≤δ＜0范圍內的占比32.2%，在0≤δ＜1.0范圍內占比63.7%，在-1.0≤δ＜1.0范圍的比例達到95.9%；有雨日自動和人工蒸發(fā)比測差值在-1.0≤δ＜0范圍內的占比24.8%，在0≤δ＜1.0范圍內占比57.1%，在-1.0≤δ＜1.0范圍的比例達到81.9%。自動蒸發(fā)總體觀測精度較高，特別是無雨日自動和人工觀測誤差較小。從表1也可看出，無雨日觀測精度高于有雨日，比測差值較大時（-2.0≤δ＜-1.0、2.0≤δ＜3.0、3.0≤δ＜4.0）均出現(xiàn)在有雨日。

表1 萍鄉(xiāng)水文站人工與自動水面蒸發(fā)比測差值分布表

4.2 人工與自動蒸發(fā)觀測一致率分析

統(tǒng)計萍鄉(xiāng)水文站2019年4月1日至2020年8月31日人工和自動蒸發(fā)觀測值絕對誤差小于1mm的天數(shù)，計算各月及比測期內總體一致率。結果見表2。

從表2可以看出，2019年一致率最低出現(xiàn)在6月份，為71.4%，其次為7月份73.7%；其余月份均超過80%，8～11月份超過90%，9月份最高，達96.2%。2019年12月份至2020年3月份，儀器出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)缺失較多，聯(lián)系廠家更換了RTU及數(shù)據(jù)模塊，從2020年4月份開始，儀器比較穩(wěn)定，各月一致率均超過90.0%，其中4月份和8月份達到100%。

2019年4月至2020年8月比測期間，有效觀測天數(shù)416天，一致率天數(shù)378天，總體一致率為90.9%；剔除2019年12月至2020年3月數(shù)據(jù)后，一致率為90.6%。

從表2中也可以看出，2020年一致率高于2019年，非汛期高于汛期。汛期一致率降低，可能因汛期強降雨時自動蒸發(fā)池濺水誤差較大、配套雨量計雨量觀測誤差增大等原因導致。此外，暴雨加測、蒸發(fā)池汲水、排水等非自然蒸發(fā)變化也會導致人工觀測誤差增大，從而影響觀測一致率。

表2 萍鄉(xiāng)站人工、自動蒸發(fā)觀測一致率分析

4.3 F檢驗

4.4 t檢驗

因σ人工2=σ自動2成立，人工蒸發(fā)和自動蒸發(fā)數(shù)據(jù)方差無顯著性差異，故可用t檢驗進一步判斷人工蒸發(fā)和自動蒸發(fā)數(shù)據(jù)是否發(fā)生顯著變化。n人工=416，n自動=416，，將有關數(shù)據(jù)代入后，得到

由顯著性水平 a=0.05，n人工+n自動-2=830，查 t分布表得臨界值 ta/2（n人工+n自動-2）=1.96，亦可由統(tǒng)計函數(shù)TINV 求得 ta/2=TINV（0.05，830）=1.96。由于∣t∣

4.5 回歸分析

以自動蒸發(fā)量為自變量x，人工觀測蒸發(fā)量因變量y，對416組人工和自動觀測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進行一元線性回歸分析，得到y(tǒng)=0.914 2x+0.039 9（R2=0.866 7，R=0.930 9），線性回歸圖見圖1，回歸計算結果匯總輸出表見表3。

圖1 人工與自動蒸發(fā)量線性回歸分析圖

表3 回歸計算結果匯總輸出表

5 結論與建議

5.1 結論

（1）差值分析和一致率分析結果表明，自動蒸發(fā)觀測精度較高，且無雨日觀測精度高于有雨日。比測期間各月總體一致率高達90.9%，且非汛期比對觀測一致率高于汛期。

（2）F檢驗和t檢驗結果表明，人工蒸發(fā)和自動蒸發(fā)數(shù)據(jù)方差無顯著性差異，兩者觀測結果沒有發(fā)生顯著變化；回歸分析結果表明，所建立的回歸方程y=0.914 2x+0.039 9有效，達到顯著性水平。當特殊情況人工或者自動蒸發(fā)缺測時，可用另一觀測方法進行資料插補。

（3）通過實際應用，此系統(tǒng)在應用過程中依然存在一些技術瓶頸，主要有以下幾個方面：

① 數(shù)據(jù)采集器位于蒸發(fā)傳感器底盤上，置于蒸發(fā)桶內部，維護不方便。

② 采集器液晶屏比較小，如果查看數(shù)據(jù)需要手動翻頁，頁面停留時間短（5秒），帶來觀測不便。

③ 故障率較高，故障期需人工觀測補充。

5.2 建議與對策

（1）建立獨立的采集顯示系統(tǒng)，配置喚醒頁面啟動按鈕，使觀測更加直觀方便。

（2）將溢流傳感器去除，和蒸發(fā)傳感器合二為一，降低設備故障率，提高觀測數(shù)據(jù)一致率。

（3）日常使用過程中，需規(guī)范清洗設備，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

（4）需定期檢查電源電壓，保證電源電壓正常，從而降低故障率。流域水文水資源監(jiān)測中心或監(jiān)測大隊增加易損配件的備份，并加強職工對該系統(tǒng)的使用和維護培訓，出現(xiàn)故障時第一時間維護或者更換配件。常見故障測站職工自行維護比廠家或流域水文水資源監(jiān)測中心過來維修可以大大節(jié)省時間，縮短故障期。

（5）為保證儀器精度和穩(wěn)定性，確保資料可靠，需定期進行人工觀測校核和蒸發(fā)注水試驗。

（6）通過本研究可以得出，自動蒸發(fā)觀測精度較高，性能可靠，可推廣使用。普及降蒸一體化自動監(jiān)測系統(tǒng)可逐步轉變蒸發(fā)觀測模式，以自動監(jiān)測為主，儀器故障時進行人工觀測補充，可減少人力成本和提高工作效率，提高水文監(jiān)測信息化水平。