谢萌琦 李仪 冯能操 杨鑫
摘 要：该文针对基于E601B蒸发器的蒸发自记仪比测试验存在的误区，系统总结了比测试验在仪器选型、场地选择、设备安装、数据观测等环节需要注意的问题，分析了上述环节误差成因，并结合行业现行规范，提出了一套客观评定蒸发自记仪性能的方案，对提高蒸发自记仪性能比测试验效能，加快推广应用水文新仪器，促进水文现代化发展具有借鉴意义。
关键词：E601B水面蒸发器 蒸发自计仪 比测实验 数据观测
中图分类号：P4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）09（b）-0062-04
The Issue Needing Attention in Comparison Experiments of Water Surface Evaporation Recorder based on E601B Evaporator
XIE Mengqi1 LI Yi2 FENG Nengcao3 YANG Xin1
（1.HanjiangCouncil of Hydrology and Water Resource Survey， Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resource， Xiangyang， Hubei Province， 441022 China; 2. Construction Authority Headwork Branch of South-north Water Transfer Central Line MainLine Project， Nanyang， Henan Prov-ince， 473000 China; 3. Technology Research Center of Changjiang Water Resources， Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resource， Wuhan， Hubei Province， 430010 China）
Abstract： Aiming at the misunderstandings in the comparison test of the evaporation self-recorder based on the E601B evaporator， this article systematically summarizes the problems that need to be paid attention to in the selection of the instrument， site selection， equipment installation， data observation， etc， and analyzes the causes of the above-mentioned errors. In combination with the current industry norms， a set of objective evaluation methods for the performance of the evaporative self-recorder is proposed， which is of reference significance for improving the performance of the evaporative self-recorder performance comparison test， accelerating the promotion and application of new hydrological instruments and promoting the development of hydrological modernization.
Key Words： E601B water surface evaporator; Evaporation meter; Comparison experiment; Data observation
E601B型蒸發器是气象水文行业蒸发量观测的标准仪器，观测资料具有较好的代表性，市面上大多数蒸发自计系统选用E601B作为量测器具，选用液位传感器测量蒸发器的水位变化量计算时段蒸发量。水文行业要求，新仪器投产前应开展比测试验，测量误差在允许范围内方可投产，由于蒸发量受环境、观测方法等因素影响较多，且都会对测量误差产生明显影响，比测和评定方法不当，都不能客观反映自计仪的真实性能。新仪器长期不能投产，比测实验持续时间太久，耗费了大量人力、财力，影响了水面蒸发量自计进程。
1 比测器具选择应注意的问题
实际比测中，人工和自计蒸发量、雨量来自同一个样本，执行起来比较困难，一般选用同一个观测场其他器具的人工观测值作为真值，和自记数据进行比较分析，为了保证二者原始值是近似相等的，具有可比性，需要注意如下几方面的问题。
1.1 人工雨量数据获取
人工雨量数据应选用人工雨量器实际收集的雨量作为真值。和翻斗等其他类型雨量计相比，雨量收集不受雨强影响，具有较高的精度，更接近真值。
1.2 人工蒸发量数据获取
由于不同类型蒸发器观测的蒸发量存在较大的差异，为了和基于E601B型蒸发器的水面蒸发自记仪的数据进行比测，人工蒸发数据应该选用E601B型蒸发器的实测数据，否则数据缺乏可比性。
2 比测场地选择应注意的问题
蒸发受空气湿度、气压、太阳辐射、风力等多重因素影响，即便是邻近测站，蒸发量也会有较大差异，应选用同一个观测场的观测数据进行比测。在同一个观测场，一般气温差异不大，但是受场地四周环境如树木、建筑物等因素影响，同一观测场不同位置的风力和太阳辐射会有差异，不同位置的蒸发量会不一样，甚至差异较大。推荐选择12m×12m的观测场作为比侧试验场地，场地远离高大树木、建筑物、山丘等。
3 比测器具的安装应注意的问题
E601B型蒸发器和雨量计的安装除满足现行行业规范要求外，还应满足如下几点要求。
3.1 自计蒸发器和人工蒸发器的器口高度应一样
实测数据表明，风力作用对蒸发量影响明显，保证人工和自记仪蒸发器器口高度一致，旨在保证二者有近似一致的风力条件，保证二者实际蒸发量近似相等，可以提高人工和自计数据的可比性，得出的比测结果也更加客观。
3.2 蒸发器初始水面应尽量保持在同一高度
水面蒸发观测规范要求，蒸发器水位应保持在水面标准线上下1cm的区间。但是在实际观测中水面经常超出正常范围，尤其是水位偏低时液面过渡下凹，器壁挡风会影响蒸发，使实际蒸发量偏小。
3.3 蒸发器都应该用原土填实
蒸发与水温密切相关，温度越高，水分子做热运动越剧烈，蒸发速度也越快，日蒸发量也越大，反之则小。通常情况水温和气温有较大差异，蒸发器四周用原土填实能够较好地保证蒸发器水温和地温同步，保证人工观测蒸发器和自计蒸发器具有尽量一致的环境条件，保证二者实际蒸发量尽量接近，收集的资料具有较好代表性。另外，原土填实可以避免日后蒸发器发生倾斜，特别是基于连通管测量原理的蒸发器自记仪，蒸发器和测量筒不同步沉降，会产生测量误差。
3.4 蒸发测量筒应部分埋入土中
用连通器原理测量蒸发器的液位，连通器两侧容器液面应等高。实际上水密度与温度密切相关，当连通器两侧容器水温不一样时，水密度不一样，水面高度会有差异，自计蒸发量会与实际不一致。蒸发测量筒部分埋入土中可以保证测量桶水温和地温近似一致，保证连通器两侧容器温度近似一样。
4 降雨对蒸发量计算的影响应注意的问题
4.1 降雨非均匀分布对蒸发量计算的影响
自计时段蒸发量计算公式可表示为：
E1=P1-He1 （1）
其中E1表示时段自计蒸发量，P1表示时段自计降雨量，He1表示时段蒸发自计仪液位变化量（假定该时段蒸发器没有补水也没有溢流）。
人工观测时段蒸发量计算公式可表示为：
E2=P2-He2 （2）
其中E2表示时段人工蒸发量，P2表示时段人工降雨量，He2表示时段蒸发器液位变化量（假定该时段蒸发器没有补水也没有溢流）。蒸发绝对误差：
E=E1-E2
=P1-P2-He1+ He2 （3）
從上式可以看出，蒸发计量误差与上述4个观测值密切相关。通常认为同一个观测场同一个降雨过程，器口高度相同的雨量计收集的降雨量是一样的，实测数据发现降雨是非均匀分布的，尤其是中大雨天气，同一个观测场的不同位置，日总雨量有数毫米的差异。因此在雨量非均匀分布的情况下，为了客观评定蒸发自记仪的精度情况，应用相同的雨量值计算人工日蒸发量和自计日蒸发量。
4.2 降雨强度对蒸发量计算的影响
水面蒸发量观测规范要求，蒸发自计设施不应该对蒸发器的环境因素造成影响，为减小影响，蒸发自记仪通常用连通器原理测量蒸发器的水位。降雨时蒸发器液位升高，连通器两侧存在液位差，水从E601B蒸发器流向测量筒。降雨时两侧容器液位差随雨强的增大而增大，实测数据发现雨强大于1mm/min时，液位差最大可以达到0.5mm。降雨结束一段时间，两端容器水位才能基本实现等高。因此降雨持续期间，测量筒监测的蒸发器液位与实际液位存在差异。人工数据一般在早上8时观测，如果观测期间降雨强度较大，建议当天蒸发数据不纳入比测范围。
5 数据观测需要注意的问题
5.1 计量时段应统一，人工和自计观测时间应同步
水面蒸发量观测规范要求，昨日8时至今日8时的雨量记作昨日降水量，期间的蒸发量记作昨日蒸发量。因此人工观测时，观测时间应正点，尤其是8点前后正在下雨，必须正点观测。蒸发自记仪内部时钟应校准，配套软件计算日雨量和日蒸发量应按照规范进行。
5.2 人工观测应注意的问题
蒸发量人工观测一般用蒸发电测针测量，为保证观测数据有较高的精度，应选用尖锐的测针，以避免针尖出现悬挂水滴现象导致较大测量误差。测针应紧密固定在电测针的螺杆上，蒸发电测针顶端的旋钮和螺杆之间应配合良好，保证测针尖实际推进的距离与电测针读数变化量完全一致。电测针的支杆应保持垂直固定在蒸发器的底座上，保证电测针针尖变化距离和水面变化量一致，如果支杆安装倾斜，测量值会大于实际值，长期倾斜会导致较大累计誤差。另外，为了减小电测针安装问题引起的测量误差，比测阶段蒸发电测针应一直安装在支座上，支杆保持不动。
6 观测数据换算问题
实际工作中，受观测场地、资金等因素的限制，在仪器选型、安装等方面不一定完全满足上述要求，人工观测和仪器自计观测的对象量值本身不一样，但是二者之间的转换关系是确定的，可以引用确定的换算系数，再进行比测。
6.1 雨量计器口高度不一样时雨量换算
当前，我国通用人工观测雨量计器口距离地面约70cm，自计雨量计因为内部有其他计量部件等电子元件，雨量计的筒身一般比人工雨量器高，我国科技工作者经过长期的观测和研究，得出了不同器口高度情况下的雨量换算关系，具体参阅《降水量观测规范》（SL-2015），人工和自计器口不等高时，应先进行数值换算，再进行比测。
6.2 基于连通器原理的蒸发量换算
当观测场只安装了1套基于E601B蒸发器的蒸发自记仪时，人工和自记仪观测同一个蒸发器的液位。由于损失的水量来自E601B和与之连通的测量桶，需要将损失的总水量折算成E601B水位变化量。设E601B的横截面为A1，测量筒的横截面为A2，折算系数为（A1+A2）/A1。通常自记仪已经将折算系数置入仪器内部，人工计算蒸发量时，需要按照上述系数换算后再进行比较。
7 蒸发自记仪精度评定
尽管在仪器选型、安装、观测等环节严格考究，确保自计和人工观测对象尽量一致，受环境、仪器固有特性、人工观测习惯等多重因素影响，人工观测数据和仪器自计数据仍然存在误差，需要一套科学的参考指标，结合实测数据进行衡量。
7.1 模拟试验比测
模拟试验比测通过向E601B汲水、注水来模拟蒸发和降雨，主要试验器材有量雨器、克称等。连通器的横截面A是固定的，当汲取的水量体积（V）一定时，连通器液位变化量h=V/A是确定的，待连通器液位稳定后，连通器内部的液位传感器可以测出液位变化量h1，二者的差值（h1-h）即绝对测量误差;用同样方法向连通器注水，观察并计算注水试验的绝对测量误差。每次汲取（注入）的水量按照不小于10mm（折算成理论液位变化量），绝对误差不大于0.3mm，即相对误差不大于3%，可以认为蒸发器精度满足要求。
7.2 自然环境下降雨蒸发资料比测方法
自然环境比测可以比较全面考核自记仪的抗环境干扰能力和稳定性，但是自然环境下，人工器具观测的对象样本和自记仪观测的对象样本身就不完全一样，测量值因此也会有差异。当日降雨、蒸发量很小时，应用绝对测量误差评定，晴天蒸发量测量误差不大于0.3mm，可以认为满足要求，雨天观测因为受到雨强和降雨非均匀分布等客观因素的影响，人工器具观测的对象样本和自记仪观测的对象样本身可能存在较大差异，允许测量误差应适当放宽到0.5mm。日降雨量大于50mm，或者降雨历时较长，人工观测资料和自计观测资料差别可能会更大，雨量可以比测，蒸发量误差情况已经不能客观评定仪器的性能。随机误差表现为单次测量结果出现偏差，系统误差会导致累计绝对误差随累计量的增加逐步扩大，相对误差可以更加科学评价自记仪器的性能。蒸发量资料收集重点关注一个时段（1旬或者1个月）内的蒸发规律和量值，可以用旬、月累计量相对误差来评定，当累计值（绝对值）偏小时，某次稍偏大的绝对随机误差可能导致相对误差偏大，因此用相对误差评定仪器的性能，需要确定绝对值的下限，一般计算雨量相对误差时，时段绝对雨量值不小于50mm;计算蒸发相对误差时，时段绝对蒸发值不小于30mm。基于上述时段累计值，蒸发量相对误差不大于3%，可以认为满足要求。
8 结语
（1）蒸发量测量属于高精度测量，开展高精度比测时，观测器材选型、安装应符合规范要求，保证人工器材和自记仪器测量值正确有效。
（2）环境因素对实际蒸发量影响显著，开展比测实验时，人工观测仪器的环境条件应该与自记仪的环境条件尽量相似，保证二者的实际值近似相等，测量值才具有可比性，比测结果才会更加客观。
（3）当人工观测方式和自记仪器观测方式有差异时，应结合实际，对观测数据进行转换，再进行比测。
（4）人工观测数据在比测试验中作为假定真值，在观测时间，仪器操作方面应严格遵循观测规程，比测结果才会更加客观。
（5）当环境因素引起的测量误差较难消除时，应当有一套客观的评价机制衡量自记仪器的性能，不能将环境因素引起的测量误差视为仪器质量缺陷，影响仪器的投产应用。
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