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。

1 TEZ-601 全自動水面遙測蒸發(fā)站概述

1.1 測量原理及安裝

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。

1.2 技術特點

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。

1.3 儀器蒸發(fā)量計算方法

（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。

2 對比觀測與分析

2.1 比測方法

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。

2.2 月蒸發(fā)量誤差分析

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

2.3 日蒸發(fā)量誤差分析

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 蒸發(fā)量一致率分析

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

2.5 受降水影響自動觀測蒸發(fā)量的優(yōu)勢分析

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。

3 TEZ-601全自動水面遙測蒸發(fā)站的故障與維護

（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。

4 結語

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。