歐 健
(貴港水文中心,廣西 貴港 537100)
近年來水文信息化技術快速發(fā)展,降雨量、水位、流量基本已實現(xiàn)自動監(jiān)測,而水面蒸發(fā)量的自動觀測仍是一大難題。為提高水文監(jiān)測自動化水平,減輕測站人員工作強度,2019年3月,貴港水文中心引進TEZ-601 全自動水面遙測蒸發(fā)站在大湟江口水文站安裝投入試運行。試運行以來,儀器運行正常。為了更好地研究和推廣自動蒸發(fā)觀測技術的應用,現(xiàn)采用大湟江口水文站2019 年9 月~2020 年9 月TEZ-601 自動監(jiān)測蒸發(fā)量、E601B 型人工觀測蒸發(fā)量的資料數(shù)據(jù)進行對比分析,校驗自動監(jiān)測系統(tǒng)性能情況,及其監(jiān)測成果與傳統(tǒng)人工觀測的蒸發(fā)量成果差異情況,證實以自動監(jiān)測系統(tǒng)取代傳統(tǒng)人工觀測方法的可行性,進而實現(xiàn)蒸發(fā)監(jiān)測自動化與智能化。
TEZ-601 全自動水面遙測蒸發(fā)站采用稱重法測量技術。稱重系統(tǒng)用于稱量蒸發(fā)器和雨量桶內(nèi)水的重量,稱重系統(tǒng)包括蒸發(fā)秤、蒸發(fā)秤座和蒸發(fā)秤盤,當蒸發(fā)器或雨量桶被電動推桿帶動放置在蒸發(fā)秤盤上時,蒸發(fā)器和雨量桶應當不再受到電動推桿的力,使其保持自由狀態(tài)下進行稱重。
考慮到蒸發(fā)器內(nèi)水量可能存在過多或過少的情況,蒸發(fā)器設置有排補水系統(tǒng)?;谧詣涌刂葡到y(tǒng)原理,在采集到蒸發(fā)器內(nèi)水量信息后,信息被發(fā)送至后臺控制系統(tǒng),后臺控制系統(tǒng)根據(jù)設定的蒸發(fā)器最大、最小盛水量閾值,判斷是否需要對蒸發(fā)器進行排補水,若需要,則控制排補水系統(tǒng)工作,執(zhí)行具體的排補水操作。同時,將稱重后的排補水量信息發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),用于蒸發(fā)量的計算,確保后期蒸發(fā)量計算結果精確。
雨量桶安裝在蒸發(fā)桶的右側,距蒸發(fā)桶約1.2 m。蒸發(fā)桶和雨量桶高出地面約70 cm,通過混凝土固定在地面上,混凝土地面上再鋪設10 cm的草坪。蒸發(fā)桶、雨量桶和遙測終端的數(shù)據(jù)通訊線穿管埋設在土中。安裝示意圖見圖1。
TEZ-601 全自動水面遙測蒸發(fā)站依據(jù)傳統(tǒng)E601B 蒸發(fā)器基礎上通過連通器的原理,采用稱重法實現(xiàn)對蒸發(fā)量的測量。遙測蒸發(fā)系統(tǒng)包括蒸發(fā)器和雨量計(其設備分別集成安裝在蒸發(fā)箱和雨量箱內(nèi))、能自動排水和補水的遙測蒸發(fā)傳感器。蒸發(fā)傳感器利用稱重法原理,通過稱量蒸發(fā)器內(nèi)水的多少,給蒸發(fā)器自動排水和補水。
(1)稱重蒸發(fā)儀與E601B蒸發(fā)器之間通過一根直徑30 mm管路連通,使兩邊水面高度始終保持一致。在稱重蒸發(fā)儀這邊有一個長150 mm寬150 mm高200 mm 的小型水箱,該水箱完全放置在一個精密天平上,水箱上部有一個Φ3 mm 透氣小孔(用于平衡大氣壓力)。水箱底部有一個進出水接頭,該接頭通過醫(yī)用乳膠管與外部E601B 蒸發(fā)器連通。當E601B蒸發(fā)器水位變化時,蒸發(fā)儀水箱內(nèi)部的水位通過連通管道會和E601B 蒸發(fā)器之間水位始終保持一致,這時天平會讀出蒸發(fā)儀水箱的水位變化質量,通過水的體積和密度關系可以計算出水位變化高度,從而得出E601B蒸發(fā)器水位變化高度。
(2)自動補水溢流裝置。該系統(tǒng)配備了一個60 L補水箱,補水箱上部有2臺高速自吸水泵,一臺負責補水,一臺負責溢流,通過主機進行自動控制。當E601B 蒸發(fā)器內(nèi)水面上升到“上警戒高度(軟件設置)”時,溢流泵開始啟動,將E601B 蒸發(fā)器內(nèi)的水抽到補水箱中,直至水位達到預設高度(軟件設置)。反之,當E601B蒸發(fā)器內(nèi)水面下降到“下警戒高度(軟件設置)”時,補水泵開始啟動,將補水箱內(nèi)的水抽到E601B蒸發(fā)器中,直至水位達到預設高度(軟件設置)。
為了保證蒸發(fā)站的配套使用,稱重蒸發(fā)儀配備了稱重式雨量計。其蒸發(fā)量E=P-∑h?。苃溢+∑h加+(h1-h(huán)2),式中:E為日蒸發(fā)量,mm;P為日降水量,mm;∑h取,∑h加分別為前一日08時至當日08時各次取出水量之和及加入水量之和,mm;∑h溢為前一日08 時至當日08 時各次溢流水量之和,mm;h1,h2分別為上次(前一日)和本次(當日)的蒸發(fā)器水面高度,mm。
蒸發(fā)器沿用E601B 型蒸發(fā)器,稱重蒸發(fā)儀與E601B 蒸發(fā)器之間通過連通管道連通,當E601B 蒸發(fā)器水位變化時,蒸發(fā)儀水箱內(nèi)部的水位通過連通管道會和E601B蒸發(fā)器之間水位始終保持一致,經(jīng)自動測報系統(tǒng)計算處理后得出蒸發(fā)量,簡稱“自動蒸發(fā)量”。人工觀測蒸發(fā)量扔按原方法進行觀測。
采用2019 年9 月~2020 年9 月總共13 個月的人工觀測月蒸發(fā)量與自動觀測月蒸發(fā)量進行分析,兩者蒸發(fā)總量雖然有40.9 mm 的誤差,但只有2 個月的蒸發(fā)量誤差在±5.0 mm 以上,其余11個月的蒸發(fā)量誤差都小于±5.0 mm。從月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)的對比分析來看,TEZ-601全自動水面遙測蒸發(fā)系統(tǒng)自動觀測的蒸發(fā)量與人工觀測的蒸發(fā)量誤差較小,誤差統(tǒng)計表見表1。
表1 大湟江口水文站人工觀測與自動觀測月蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計
采用2019年9月~2020年9月共396日人工觀測日蒸發(fā)量與自動觀測日蒸發(fā)量進行對比分析,結果見圖1和表2。人工觀測日蒸發(fā)量過程線與自動觀測日蒸發(fā)量過程線基本一致,日蒸發(fā)量誤差≤±0.3 mm 有277 日,占比69.9%,日蒸發(fā)量誤差≤±0.6 mm 有342 日,占比86.4%,日蒸發(fā)量誤差≤±1.0 mm有372 日,占比93.9%。而日蒸發(fā)量誤差>±1.0 mm只有24 日,占比6.1%。從日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)的對比分析來看,說明兩者觀測的誤差較小,比測成果良好,誤差范圍達到規(guī)范要求。全年蒸發(fā)數(shù)據(jù)關系較集中,有較好的單值對應關系。
表2 大湟江口水文站人工觀測與自動觀測日蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計
2.4.1 人工觀測與自動觀測蒸發(fā)一致率
一致率,即對比觀測時間內(nèi)人工觀測日蒸發(fā)量與自動觀測日蒸發(fā)量誤差小于等于1.0 mm的天數(shù),占總觀測天數(shù)的百分比。
式中:Y為自動與人工水面蒸發(fā)觀測一致率,%;y為人工觀測日蒸發(fā)量與自動觀測日蒸發(fā)量誤差小于1.0 mm 的天數(shù);P總為自動與人工水面蒸發(fā)觀測總有效天數(shù)。
2.4.2 人工觀測與自動觀測蒸發(fā)量一致率分析
統(tǒng)計大湟江口水文站2019 年9 月~2020 年9月人工觀測日蒸發(fā)量與自動觀測日蒸發(fā)量誤差小于1.0 mm 的天數(shù),計算月、月總量一致率(見表3)。從表3 可知,大湟江口水文站2019 年9 月~2020 年9月人工與自動蒸發(fā)觀測值的月一致率最高為2019年10~12月和2020年2月,一致率均為100%;最低為2019年9月和2020年6月,一致率均為86.7%;達到90%以上的有11 個月,其余兩個月一致率是86.7%;13個月總觀測日數(shù)為396日,372日一致,一致率為93.9%,從總體上看,人工觀測與自動觀測蒸發(fā)量一致性較好。
表3 大湟江口水文站人工觀測與自動觀測蒸發(fā)一致率分析
由于降水是影響蒸發(fā)量誤差的一個重要因素,故將有降水之日的蒸發(fā)量單獨統(tǒng)計出來分析。經(jīng)統(tǒng)計分析,從數(shù)據(jù)上看,降雨強度大,觀測的蒸發(fā)量誤差不一定就大,例如:2020年5月24日,人工觀測降雨量47.0 mm,自動觀測降雨量45.2 mm,誤差-1.8 mm,而兩者觀測的蒸發(fā)量誤差為0.3 mm;2020年5月28日,人工觀測降雨量52.1 mm,自動觀測降雨量48.8 mm,誤差-3.3 mm,而兩者觀測的蒸發(fā)量誤差為0.7 mm。這說明即使暴雨時期,人工監(jiān)測的雨量與儀器自動監(jiān)測雨量存在一定的誤差,但通過儀器自動辨別和處理,能有效地控制和減輕蒸發(fā)量的誤差。因為人工觀測一般每日進行1 次(一般為每日08 時)觀測,其把降雨和無降雨的誤差都累積在一起了,特別是對間斷性降雨期間的蒸發(fā)量計算,不能有效的區(qū)分開來,這樣計算出的日蒸發(fā)量誤差就會較大;而儀器是采用高精度液位傳感器來實時監(jiān)測蒸發(fā)桶內(nèi)水位變化,是每天按1 h 測量分析一次,在暴雨時期優(yōu)勢更為突出,該儀器能把降雨和無降雨的時段區(qū)分出來,在自動測量過程中能將一些外界干擾的因素進行處理,在消除隨機誤差方面儀器觀測是優(yōu)于人工觀測。
(1)注意保持太陽能電池板表面清潔,沒有遮擋物。
(2)水面遙測蒸發(fā)器主機沒有顯示??梢韵葯z查電源導線各連接點接觸是否松動,再根據(jù)太陽能充電控制器指示燈,檢查蓄電池是否已壞,如果已壞,則更換蓄電池。電池沒問題則要打開儀器主機檢查機內(nèi)保險絲是否熔斷。
(3)如果儀器長時間沒有數(shù)據(jù)上報服務器,或白天短信召測不成功,則需查詢開通了GPRS 功能的手機SIM卡是否已欠費。
(4)每日08 時要及時打開服務器下載昨日雨量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù),并分析其合理性,如果發(fā)現(xiàn)異常,則要從原始時段采集的數(shù)據(jù)認真分析,以便能正確處理異常數(shù)據(jù)。最好每月月初把上月的成果報表導出到Excel保存。
建議加強設備運行維護與數(shù)據(jù)監(jiān)控,若自動蒸發(fā)器出現(xiàn)故障或出現(xiàn)長時段明顯數(shù)據(jù)異常時,應恢復E601 型人工蒸發(fā)器觀測校測,以確保資料完整性、準確性。
大湟江口水文站TEZ-601 全自動水面遙測蒸發(fā)站,經(jīng)與E601B 型水面蒸發(fā)器人工觀測對比分析,監(jiān)測結果與E601B型水面蒸發(fā)器人工觀測相比誤差較小,符合現(xiàn)行有關規(guī)范允許誤差范圍要求,可以正式使用TEZ-601 全自動水面遙測蒸發(fā)站進行觀測,并將其監(jiān)測數(shù)據(jù)參加水文資料整編。
TEZ-601 全自動水面遙測蒸發(fā)站為近些年逐步興起的自動化新技術,要加強儀器設備的運行維護和數(shù)據(jù)監(jiān)控,若自動蒸發(fā)器出現(xiàn)故障或出現(xiàn)長時段明顯數(shù)據(jù)異常時,應恢復E601B型人工蒸發(fā)器觀測校測,以便能正確處理異常數(shù)據(jù),確保資料的完整性、準確性。