Journal of Water Resources Research
Vol.04 No.04(2015), Article ID:15946,6 pages
10.12677/JWRR.2015.44045

The Application of Ultrasonic Type Evaporation Recording Instrument

Ting Zhang1, Qiong Wu2, Shao’an Liu1

1The Water Resources and Survey Bureau of the Changjiang Middle Reaches, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan Hubei

2Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan Hubei

Email: 591720244@qq.com

Received: Jul. 26th, 2015; accepted: Aug. 7th, 2015; published: Aug. 25th, 2015

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ABSTRACT

According to the auto-recording data of a ground automatic meteorological station in Hankou and those of synchronous evaporation by manual observation, we analyzed the accuracy of ultrasonic type evaporation recording instrument, evaluated the impact of environmental factors on the ultrasonic evaporating, and verified the accuracy of one commonly used water surface evaporation capacity calculation formula. While collecting the reference articles, we noticed the difference between automatic evaporation and manual observation, so as to change the method to improve the accuracy of recording evaporation.

Keywords:Ultrasonic Type Evaporation Instrument, Manual Observation, Evaporation, Daily Error of Evaporation, Monthly Error of Evaporation, Evaporation Equation of Water Surface

超声波式自记蒸发仪的生产应用

张亭1,吴琼2,刘少安1

1长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局,湖北 武汉

2长江水利委员会水文局,湖北 武汉

Email: 591720244@qq.com

收稿日期:2015年7月26日;录用日期:2015年8月7日;发布日期:2015年8月25日

摘 要

本文依据汉口某地面气象自动观测系统的自记资料及同步的人工观测蒸发量,来分析超声波式自记蒸发仪的精度,并对超声波蒸发仪受环境因素影响进行了分析,还验证其中一种常用水面蒸发量计算公式的精度。本文中参考诸多自动蒸发方面的文章,在收集资料时注意自动蒸发与人工观测的不同,改进方法提高自记蒸发量的精度。

关键词 :超声波式蒸发仪,人工观测,蒸发量,蒸发量日误差,蒸发量月误差,水面蒸散发公式

1. 引言

随着近几年水文现代化步伐的加快,自动化程度有了明显的提高,ADCP、OBS等测流、测沙方面的先进仪器已广泛应用于实际生产,既简化了生产流程,又节省了大量的人力、物力,但是蒸发等地面气象自动观测方面的仪器在实际生产中的应用还有些欠缺。本文主要结合汉口某地面气象自动观测系统(DZZ2型)的超声波式蒸发仪的实际应用情况,进行计算和分析。该DZZ2型自动气象站由天津气象仪器厂生产,于2007年10月建设完成并通过验收,观测项目包括蒸发(E601型)、温湿度、降水、日照、风速风向、气压。在这几年试运行中,该系统运行稳定,但蒸发量精度较差。经过不断的努力,熟悉仪器的性能,自记蒸发观测精度有所提高。

2. 蒸发量的观测与数据

2.1. 观测原理

E601B型蒸发器由蒸发桶、水圈、溢流桶和测针等组成。每日8时进行人工观测,观测员用游标尺读水面高度,蒸发量计算公式为:

(1)

公式中,降水量采用0.1 mm翻斗式自记雨量器,溢流量用量筒量得。

自动观测根据超声波测距原理,利用高精度超声波探头,对E-601B型蒸发器内的水面高度变化进行连续检测,转换成电信号输出存储。仪器测量范围0~100 mm,分辨率是0.1 mm。通过记录某时水位,利用式(1),可得自记日蒸发量。

通过对比人工日蒸发量和自记日蒸发量,来分析超声波式自记蒸发仪使用情况,以此提高生产中实测蒸发量的精度。

2.2. 观测中注意的问题

参考文献[1] 中,提出了6种影响观测精度的细节。其中第3条提到了自动观测以小时记误差累积的问题,而用摘录每日8时自动观测水位计算日蒸发量,避免了这一累积误差。我们将这一想法付诸实践,为自记日蒸发量计算提供了一种较高精度的方法。我们还在维护自记降水仪时,做到了每次较大降雨后,清洗仪器上的灰尘,提高降水量的精度。

2.3. 观测数据

从2012年4月1日起,至2012年9月1日,每1日或每3日人工观测与自记进行比测。统计每1日自记与人工的差值共90组,分析前对数据做3倍标准差的粗差处理,用这些数据进行日蒸发量误差分析。从2012年4月至2014年12月,除了部分月份因结冰影响自记蒸发量或仪器故障,共20个月的蒸发量进行月蒸发量误差分析。

除蒸发量观测外,还有蒸发的辅助项目观测,有1.5米处气温、气压、湿度,10米处风速,离地0.7米高处0.1 mm精度翻斗式雨量,水面下1至4 cm水温,等。

此外,本文采用2012年4月至12月这几个月的辅助项目资料,来验证常用的蒸发公式。

3. 环境影响误差分析

在实际观测中,发现自记水位有时不随液面变化而变化。为了找出影响水位变化因素,特地于 2012-7-11 至2012-7-20之间,将超声波探头下液面与连至E601蒸发池内液面的管道阀门关闭,同时观测超声波自记水位及气温等环境变量。这样在液面近似稳定条件下,除去蒸发皿内蒸发影响,只受环境影响或在蒸发极小情况下,观察超声波水位的变化,分析超声水位影响因子。

从2012-7-11至2012-7-20按小时收集水位及气象数据,共收集216组。选入时间h (小时数)、气温t、相对湿度u、气压p、风速fs五个因子,采用逐步回归方法筛选因子[2] ,并建立回归方程。在显著水平为0.05时,入选因子是h、t、u,fs因子不满足F检验未入选。F检验结果见表1,对应线性模型为:。整个时段内蒸发水位的变化范围在82.5 mm至77.6 mm之间,十天内蒸发量极小,说明蒸发在较封闭环境不明显,这期间的液面水位受环境影响相对蒸发因素更大。

从回归公式来看,Z受h影响,代表超声波水位会随着时间推移,液面因挥发而下降。若打开管道阀门,液面水位(假定打开阀门后蒸发皿水位)变化代表蒸发皿内蒸发量、u和t影响值、其它因子(fs等)的综合变化。计算蒸发量时,的除去回归公式u和t影响,得到(Z0指除去u、t影响的蒸发皿水位)。

对比两图表,图1显示用相对湿度和气温所得的回归方程计算值与实际值在整体过程上基本一致。图2中小三角形的点波动较大,基本与风速大于2.5 m/s的点对应。说明超声波水位不确定性因素主要是风速引起,干挠了水位的连续性,属偶然误差,但不作为回归方程影响因子,不影响方程精度。

4. 蒸发量的日、月误差分析

4.1. 日量的绝对差值分析

检验自动与人工观测月蒸发量差值是否遵守标准正态分布,在0.05显著水平下,若样本峰度系数g1、偏度系数g2满足下式;,则拒绝假设,变量不遵从正态分布。其中 [2] 。计算所得见表2。其中,自记差,自记差

(为用回归方程去除湿度、气温影响后的液面高),自记差。

表2结果可知自记差1、自记差2的标准差大致相等,就是说自记观测的精度大概在0.6 mm,而自记差3精度就太低,实际生产中不能采用自记差3这种方法。自记差1、自记差2能通过标准正态的假设检验,而且去除湿度、温度影响后的蒸发量,与不去除时相比,大致相同,说明选在每日8时固定时间的自记水位计算蒸发量,排除了一些环境因素的影响。

4.2. 月蒸发量的精度分析

通过对2012年4月至2014年12月的人工与自记蒸发量的计算,得出统计月蒸发量的误差,并计算相对误

Table 1. Inspection of the regression equation and factor F

表1. 回归方程及因子F检验表

Table 2. Normal distributing inspection daily error of evaporation of ultrasonic type evaporation apparatus and manual observation

表2. 超声波式蒸发仪日蒸发量与人工观测误差正态分布检验表

Figure1. Comparison chart of water level process between ultrasonic type auto recording with regression equation

图1. 超声波自记水位过程与回归方程水位过程比较图

差,见表3。这里的自记蒸发量采用每日8时超声波水位来计算。其中2014年只统计10~12月的量。

表3中可见,人工与自动差值在2012年与2014年未超过5 mm,相对百分比未超过6.1%,2013年误差因为超声波蒸发探头仪器原因,误差稍大。2014年9月更换超声波蒸发探头后,精度有明显提高。从所有月平均误差来看,与文献[2] 中月误差均值自记偏高5.74 mm [3] 相比,表3中平均误差1.4 mm精度要好很多。

5. 检验一种常用蒸发量计算公式

作者查阅了国内蒸发公式相关的论文[4] [5] ,从超温水体蒸发散热到水面蒸发公式,认为参考文献[4] 中推荐公式,参考了国内外许多公式,该公式精度较高,故本文选择该公式[4] 作为计算值来验证。公式如下:

(hpa)为水汽压力差, (mm/d/hpa)为蒸发系数, (m/s)为H高处风速, (℃)水气温差,当时为0,当时为0.01。式中含项为适用稳定温度层结和提高计算精度用。

与公式中参数要求有所不同,汉口自动气象场E601型蒸发池是陆上蒸发池,风速离地面10 m,水面温度因自记仪器所限,所测水温在水面下1~4 cm之间,未严格在1 cm。

本文采用2012年4月至12月的气温、湿度、水面水温、风速因子,采用上述公式计算日蒸发量,并与超声波式蒸发仪比较,误差见表4

NT、NR分别为资料总数及的次数,Emer、Ecal、δmer、δcal分别为实测日蒸发量的均值、公式计算日蒸发量的均值、实测日蒸发量的方差、公式计算日蒸发量的方差,R为日蒸发量实测值与计算值的相

Table 3. Monthly error evaporation of ultrasonic type evaporation apparatus and manual observation

表3. 超声波式蒸发仪月蒸发量与人工观测误差表

Figure2. Relation chart of water level process of ultrasonic type auto recording and wind speed

图2. 超声波自记水位过程与风速关系对照图

Table 4. Error analyzing table of daily evaporation measured value and formula calculation

表4. 日蒸发量实测值与公式计算值误差分析表(单位:mm)

关系数,a、b为线性回归系数,δ为蒸发量实测值与计算值差值的方差,d为蒸发量实测值与计算值差值的均值。

表4中可以看出,公式应用与参考文献[4] 中的结果宜兴地区的相关系数R [4] 接近。虽然应用该公式时,风速、水面温度均存在误差,但从相关系数来看,公式应用情况好于文献[4] 中大多数地区,说明该公式在武汉市地区适应性较好。

文献中计算的是蒸发系数,本文是蒸发量,虽然不是一个物理因子,但两者关系接近,有很高的可比性。

6. 结论及讨论

1) 采用超声波式蒸发仪每日8时自记水位计算的日蒸发量误差,标准差为0.6 mm,是逐小时累积标准差的1/5,并且与人工日蒸发量的绝对误差满足标准的正态分布。对超声波自记水位进行逐步回归筛选环境因子,去除相对湿度、气温影响后的自记水位,计算的蒸发量与人工差值相比,也满足标准的正态分布,但精度提高不大。说明每日固定8时的水位计算蒸发量消除了除风速外的因素,精度较高。

2) 采用超声波式蒸发仪每日8时自记水位计算的月蒸发量的平均误差为1.4 mm,而且随着对仪器性能的不断熟悉,精度仍有提高的可能。2012年和2014年的精度较2013年精度为高,2014年是更换新的超声波探头,精度明显好转。

3) 常用的水面蒸散发公式,利用地面气象观测系统的气象因素计算的日蒸发量,与实测日蒸发量有较高的相关性,相关系数达到0.8以上,与文献 [1] 中验算的精度相当。

从以上结论,说明利用超声波式自记蒸发仪仍然是目前自记蒸发观测的最佳选择之一,虽然受风速、气温、湿度等环境因素影响超声波水位,但采用固定8时自记水位计算蒸发量,能消除部分环境因素影响,在实际生产中有良好的应用。

文章引用

张 亭,吴 琼,刘少安, (2015) 超声波式自记蒸发仪的生产应用
The Application of Ultrasonic Type Evaporation Recording Instrument. 水资源研究,04,368-374. doi: 10.12677/JWRR.2015.44045

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