淺談水面蒸發(fā)人工觀測估讀誤差試驗(yàn)分析

歐陽欣欣，劉鐵林，匡 剛

（江西省水文監(jiān)測中心，江西 南昌 330002）

水面蒸發(fā)是水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是防汛抗旱中水文預(yù)測預(yù)報(bào)、水資源評價(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)觀測規(guī)范》（SL630-2013）[1]明確規(guī)定，由于受蒸發(fā)場選擇的環(huán)境、氣候、儀器性能及儀器的材質(zhì)[2]、安裝方式和人為因素等影響，水面蒸發(fā)量觀測值存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，誤差來源包括降水誤差、風(fēng)沙誤差、濺水誤差、儀器誤差、儀器計(jì)量誤差以及估讀誤差。國內(nèi)外很多學(xué)者對水面蒸發(fā)自動觀測進(jìn)行了研究[3，4]，部分學(xué)者對人工觀測水面蒸發(fā)誤差原因進(jìn)行分析[5]，就如何控制人工觀測蒸發(fā)誤差提出了很好的建議[6]。本文就不同風(fēng)力環(huán)境條件下水面蒸發(fā)人工觀測估讀不確定度進(jìn)行了對比試驗(yàn)分析，并對觀測過程的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究與討論，提出了具體操作要求，以供大家參考。

1 研究方法

1.1 研究對象

江西省位于長江中下游交接處的南岸，地處北緯24°29′～30°04′、東經(jīng) 113°34′～118°28′之間，屬亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫約16.3～19.5℃，多年平均降水量為1638mm。江西省多年平均季蒸發(fā)情況：1至3月 60mm～100mm，7至 9月 400mm～500mm，10至12月180mm～220mm。全年全省大部分地區(qū)蒸發(fā)量在700mm至800mm之間，總體趨勢是山區(qū)小于丘陵，丘陵小于盆地和平原。

全省建有水面蒸發(fā)站70站，站網(wǎng)布設(shè)密度為2 000～3 000km2/站，主要采取人工駐站觀測方式，觀測設(shè)備主要為標(biāo)準(zhǔn)水面蒸發(fā)器（E601型）。為開展人工觀測估讀誤差試驗(yàn)分析工作，在全省范圍內(nèi)按照不同的地域、地貌、風(fēng)速等自然環(huán)境，選擇觀測場遮擋率、儀器安裝符合要求和觀測員責(zé)任心強(qiáng)等共8個(gè)蒸發(fā)觀測站作為試驗(yàn)研究對象，詳見表1。所選試驗(yàn)分析對象分布于贛南、贛中、贛西、贛北和贛東等不同區(qū)域，分別代表山丘區(qū)、平原區(qū)和鄱陽湖區(qū)等不同自然地理氣候特征，對人工觀測估讀誤差試驗(yàn)分析具有較好代表性和典型性。

表1 試驗(yàn)站點(diǎn)情況表

1.2 試驗(yàn)方法

水面蒸發(fā)觀測估讀誤差主要由儀器（測針分辨率和準(zhǔn)確度）、人為估讀和周邊環(huán)境干擾等影響，觀測試驗(yàn)工作，確立方法如下：選擇無風(fēng)、1～2級風(fēng)、3～4級風(fēng)天氣情況下（一般選擇8時(shí)或蒸發(fā)很小的時(shí)候），采用蒸發(fā)測針在10min內(nèi)進(jìn)行人工重復(fù)觀測水面蒸發(fā)液位。

1.3 誤差分析

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以康山站為例，對康山站不同風(fēng)力情況下人工觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析，詳見表2；針對全省選取的8處試驗(yàn)站點(diǎn)，在天氣晴朗的條件下，按照重復(fù)性觀測試驗(yàn)要求，觀測時(shí)間控制在5～10min內(nèi)完成。具體成果詳見表3人工觀測不確定度與最大偏差分析數(shù)據(jù)表。

表2 康山站2017年人工觀測蒸發(fā)不確定度試驗(yàn)記錄表 mm

表3 人工觀測不確定度試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表 mm

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 誤差分布規(guī)律分析

根據(jù)《水文測驗(yàn)學(xué)》[7]偶然誤差規(guī)律為：（1）誤差界限性，即在一定測量條件下，偶然誤差的數(shù)值不超出一定限值，或是超出一定限值的誤差出現(xiàn)的概率接近于零；（2）誤差分布聚眾性，即絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的概率大；（3）誤差分布對稱性，即絕對值相等的正負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相同。從康山站人工觀測數(shù)據(jù)中可知，觀測誤差符合誤差的分布規(guī)律，說明觀測數(shù)據(jù)符合實(shí)際情況。

2.2.2 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評定

全省選取的8處試驗(yàn)站點(diǎn)在不同風(fēng)力條件下，誤差范圍在-0.37mm至0.34mm之間，說明風(fēng)力對人工觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)存在影響，同時(shí)康山站人工觀測數(shù)據(jù)中未出現(xiàn)兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm的情況，符合《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）中規(guī)定“采用測針進(jìn)行觀測水面高度兩次讀數(shù)誤差不大于0.2mm”的要求，由以上兩點(diǎn)可以得出人工觀測水面蒸發(fā)在相同風(fēng)力條件下誤差范圍是不同的，說明在觀測中每個(gè)人的觀測帶來的誤差是不同的，同時(shí)也證明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

2.2.3 人工不確定度分析

對全省選取的8處試驗(yàn)站點(diǎn)進(jìn)行人工觀測不確定度分析，在表3的數(shù)據(jù)成果中可以得出不同的風(fēng)力情況下，人工觀測水面蒸發(fā)不確定度是不同的，總體表現(xiàn)為風(fēng)力越大，人工觀測的不確定度也隨之變大，但是總體不確定度范圍在0.07mm至0.34mm之間，誤差會給單天的蒸發(fā)量帶來影響，但是就全年來說整體的蒸發(fā)誤差將會抵消，并不影響全年的蒸發(fā)量。

3 誤差控制與討論

國內(nèi)一些學(xué)者也分析了造成水面蒸發(fā)誤差的人為因素，主要從保持穩(wěn)定的水面高度、強(qiáng)降雨時(shí)蒸發(fā)量與雨量要同步觀測、人為視覺誤差、保持桶內(nèi)清潔等方面進(jìn)行了論述，在現(xiàn)行的《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）中對標(biāo)準(zhǔn)水面蒸發(fā)器的觀測有做相關(guān)規(guī)范，但是還存在一些人工操作未涉及的細(xì)節(jié)需要補(bǔ)充，進(jìn)行討論如下：

（1）避免測針掛珠帶來的誤差。受水的附著力的作用[8]，在《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL630-2013）中規(guī)定要求了如下步驟：“將測針插到測針座的插孔內(nèi)，使測針底座緊靠測針座表面，將音響器的極片放入蒸發(fā)器的水中。先把針尖調(diào)離水面，如遇較大風(fēng)時(shí)，應(yīng)將靜水器上的蓋板蓋上。待靜水器內(nèi)水面平靜后，即可旋轉(zhuǎn)測針頂部的刻度圓盤，使測針向下移動。當(dāng)聽到訊號后，將刻度圓盤向反向慢慢轉(zhuǎn)動，直至音響停止后再向正向緩慢旋轉(zhuǎn)刻度盤，第二次聽到訊號后立即停止轉(zhuǎn)動并讀數(shù)，每次觀測應(yīng)測讀兩次，讀至0.1mm。兩次讀數(shù)差不大于0.2mm時(shí)，即可取其平均值”。但是在實(shí)際操作中常常有許多細(xì)節(jié)同樣能夠影響到蒸發(fā)的讀數(shù)，如果處理不好將會達(dá)到0.4mm左右的誤差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出誤差的范圍。為了避免人為造成的誤差，首先應(yīng)該保證測針干凈不掛珠，在進(jìn)行水面蒸發(fā)觀測時(shí)，如遇降小雨或者測針不干凈時(shí)，當(dāng)測針第二次入水時(shí)，由于水面張力及附著力等原因?qū)霈F(xiàn)測針掛珠的現(xiàn)象，此時(shí)將影響到讀數(shù)，所以在觀測蒸發(fā)時(shí)在保證測針干凈的前提下還要做到眼觀測針，耳聽音響器同步同時(shí)進(jìn)行，這樣才能消除測針掛珠帶來的誤差。

（2）測針擺放角度做到全站統(tǒng)一。受制造工藝或使用磨損方面的原因，測針與測針座插孔存在間隙，或測針座安裝不夠水平時(shí)，測針擺放位置和角度方向不一致，其測得水面讀數(shù)值是不同的，測針與測針座插孔存在間隙越大，測針座傾斜度越大，測針不同位置測得水面讀數(shù)值相差越大。為確保觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，應(yīng)保持測針位置一致，保持同一個(gè)角度，同一個(gè)方向，并且作用力也在同一邊，測針?biāo)鶎Φ慕嵌葢?yīng)該做到全站統(tǒng)一，這樣才能消除測針與測針座帶來的誤差。

4 結(jié)論

（1）水面蒸發(fā)人工觀測估讀存在一定的誤差，此誤差是由于不同的人工觀測帶來的，在無風(fēng)的情況下，人工不確定度為0.07～0.14mm的誤差，風(fēng)力1～2級時(shí)不確定度為0.10～0.20mm，風(fēng)力在3～4級時(shí)不確定度為0.12～0.34mm，但是就試驗(yàn)數(shù)據(jù)而言，人工估讀不確定度誤差在風(fēng)力為4級以下時(shí)均可以滿足觀測要求。

（2）除了受風(fēng)力影響外觀測中測針的掛珠以及測針的擺放角度是否統(tǒng)一都將受到影響。在實(shí)際工作只要嚴(yán)格按照規(guī)范中的要求，并且注意測針掛珠以及測針座等細(xì)節(jié)，就能最大程度的避免人工誤差，確保觀測資料的準(zhǔn)確性、可靠性。