富陽水文站TEZ-601全自動稱重式蒸發系統比測分析

盧志蓮

（賀州中心站富川水文中心站，廣西 富川 542700）

水面蒸發量是水文測驗中的一項重要參數。水面蒸發的測量在蒸發站進行，現有監測技術中主要存在以下問題：水面形狀不固定、易變形，水面的波動與及觀測人員目視觀測誤差極易影響測量精度，造成精度低，同時難以實現真正的無人值守。

近年來水文信息化技術快速發展，降雨量、水位、流量基本已實現自動監測，而水面蒸發量的自動觀測仍是一大難題。為加快水文現代建設，提高水文監測自動化水平，減輕觀測站人員工作強度，賀州水文中心2018年8月購置一套TEZ-601 全自動稱重式蒸發系統（以下簡稱自動蒸發系統）。

1 自動蒸發系統的組成及工作原理

1.1 系統組成

自動蒸發系統由控制箱、稱重蒸發儀、補水溢流系統、稱重式雨量計4部分組成，其硬件模塊結構見圖1。

（1）控制箱。控制箱的控制系統主機是整套系統的神經中樞，主要負責整套系統的工作流程和邏輯處理?？刂浦鳈C直接控制蒸發和雨量的稱重變送模塊和外設開關量主控模塊，另外還負責與服務器通訊和數據交換。外設控制模塊主要負責蒸發、雨量、補水溢流系統內部的開關量模塊控制，下發開關量指令。通訊模塊GPRS主要是與服務器進行數據透傳交換。太陽能與充電控制器負責對整套系統進行供電。

圖1 全自動稱重式蒸發系統硬件模塊結構圖

（2）稱重蒸發儀。稱重系統用于稱量蒸發皿和雨量桶內水的重量，稱重系統包括蒸發秤、蒸發秤座和蒸發秤盤，當蒸發皿/雨量桶被電動推桿帶動放置在蒸發秤盤上時，蒸發皿/雨量桶應當不再受到電動推桿的力，使其保持自由狀態下進行稱重。稱重傳感器與稱重模塊將測量皿中的水重量傳送給控制系統主機，由控制主機通過水的體積和密度關系計算出水位變化高度，從而得出E601 水位變化高度，以及進行下一步的數據匯報。升降裝置與截水閥配合測量皿一起工作，使稱重傳感器始終保持最佳狀態。

（3）補水溢流系統。該系統配備了一個60L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E601 蒸發皿內水面上升到“上警戒高度（軟件設置）”時，溢流泵開始啟動，將E601 蒸發皿內的水抽到補水箱中，直至水位達到預設高度（軟件設置）。反之，當E601蒸發皿內水面下降到“下警戒高度（軟件設置）”時，補水泵開始啟動，將補水箱內的水抽到E601蒸發皿中，直至水位達到預設高度（軟件設置）。

（4）稱重式雨量計。為了保證蒸發的高精度測量，全自動稱重式蒸發系統配備了稱重式雨量計，該雨量計的精度可以達到0.01 mm，量程可達80 mm/5 min。截流閥與溢流閥是截止雨水流入與雨水自動溢出的裝置，主要是配合雨量觀測時間與主機控制系統邏輯一起工作。雨量內的稱重傳感器與稱重模塊將一定時間內的雨水重量傳送給控制系統主機，由控制系統主機來計算雨天蒸發量，同時上報雨量或進行其他操作。

1.2 工作原理

自動蒸發系統依據傳統E601 蒸發皿基礎上通過連通器的原理，結合信號放大方法，采用高精度稱重傳感器實現對蒸發量的測量，蒸發精度可達到0.01 mm，測量不受風雨影響，觀測時間最小可達30 min。該儀器默認的工作模式是“24 h”模式，即蒸發每隔24 h 觀測一次，每次的觀測時間為早上8：00。系統內置9 種工作模式，包括8 種常規工作模式和加測模式，能夠看出一天內的蒸發過程圖。根據測量數據，中心站管理軟件可自動生成蒸發、雨量標準報表，可獨立輸出雨量、蒸發年報表。

2 對比觀測與分析

2.1 設備安裝

富陽蒸發站位于水文站院內，與江毗鄰，除北面一棟辦公樓外，三面空曠。觀測場內安裝有一套E601型蒸發器、自動雨量計、人工雨量計、一套自動蒸發系統及配套的設備。安裝布置平面圖見圖2，現場見圖3。

圖2 觀測場平面布置圖

圖3 自動蒸發系統現場照片

2.2 對比觀測

自動蒸發系統于2018年9月1日正式開始比測，采用人工觀測與自動蒸發系統觀測同步進行。2018年 9月 1日～2019年 8月 31日共 365 d 對人工觀測蒸發和自動遙測蒸發進行了數據比測，期間無缺測和故障，共取得比測數據365組，比測方法符合《水面蒸發觀測規范》（SL630-2013）要求。

2.2.1 日蒸發量誤差分析

對2018年9月～2019年8月的自動蒸發系統和人工觀測所監測的日蒸發量數據進行統計分析，成果見表1。自動蒸發系統日蒸發量誤差[0,1.0]mm天數占觀測期百分比為92.3%，日最大誤差為2.3 mm。參證其它單位的比測成果，誤差≤±1.0 mm的百分比基本在95%左右，本站自動監測成果是合理的。經過分析，誤差偏大的天數多為前后日人工觀測產生的誤差，誤差值可以相互抵消。

表1 2018年9月～2019年8月富陽站自動監測日蒸發量誤差統計表

2.2.2 逐日蒸發量相關曲線圖

將人工觀測與自動觀測的逐日蒸發量資料共365 組數據繪制相關關系圖，見圖4。從圖4 可見，人工觀測與自動觀測的相關點在圖上分布密集，呈直線趨勢，建立人工蒸發量y對自動蒸發量x的回歸直線方程，兩者的相關系數R為0.9115，說明兩種觀測方式取得的監測數據存在明確的線性關系，斜率接近1，且相關關系顯著。

圖4 富陽站自動與人工逐日蒸發量相關曲線圖

2.3 比測數據分析

2.3.1 旬蒸發量誤差分析

對2018年9月～2019年8月的自動與人工觀測所監測的各旬蒸發量數據36組進行統計分析，見表2。

表2 富陽站自動與人工監測旬蒸發量比對表

時 間 蒸發量/mm自動 人工絕對誤差/mm相對誤差/%2019年2月1 0 2019年3月2019年4月2019年5月2019年6月2019年7月2019年8月上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬22.9 5.4 7.0 10.8 17.0 23.4 21.5 14.6 21.1 16.6 31.4 25.1 23.7 28.7 28.6 28.9 25.3 56.0 37.4 47.3 51.7 21.9 5.4 5.8 8.2 12.7 20.1 16.9 12.5 19.8 15.2 30.0 23.5 23.2 29.4 27.9 29.8 24.0 60.2 38.4 50.2 55.0 1.2 2.6 4.3 3.3 4.6 2.1 1.3 1.4 1.4 1.6 0.5-0.7 0.7-0.9 1.3-4.2-1.0-2.9-3.3 4.6 0.0 20.7 31.7 33.9 16.4 27.2 16.8 6.6 9.2 4.7 6.8 2.2-2.4 2.5-3.0 5.4-7.0-2.6-5.8-6.0

自動與人工所監測各旬蒸發量數據相對誤差基本在10%以內，占77.8%。相對誤差較大的2019年2月下旬～4月中旬，相對誤差在16.8%～33.9%之間。期間以陰雨為主，多回南天氣，空氣濕度大，蒸發量小，基本在20 mm以下，6個旬的蒸發量占全年蒸發量的8.3%。在降水和高濕度天氣條件情況下，同樣存在蒸發，人工觀測每日8 時進行觀測的情況下，無法測出降水期間的蒸發量，人工觀測存在一定的誤差，而自動觀測設備則每30 min進行稱重測量蒸發量，可較為準確測到降水期間的蒸發量。如2019年 3月 26日、27日，自動設備分別測出 0.3 mm和0.6 mm 的蒸發量，而人工觀測的蒸發量為負數，只能當0 處理，顯然自動設備所測成果更為合理?；谝陨显?，與人工監測數據相比，自動監測數據相對誤差偏大，是監測技術上的進步，可認為是合理的。

2.3.2 旬蒸發量相關曲線圖

人工觀測與自動觀測的各旬蒸發量資料共36組數據繪制相關關系圖（見圖5）。從圖5可知，人工觀測與自動觀測的相關點在圖上分布密集，呈直線趨勢，建立人工蒸發量y對自動蒸發量x的回歸直線方程，兩者的相關系數R為0.9844，說明兩種觀測方式取得的監測數據存在明確的線性關系，斜率接近1，且相關關系顯著。

圖5 富陽站自動與人工逐旬蒸發量相關曲線圖

2.4 月、年蒸發量分析

2.4.1 月蒸發量誤差分析

對2018年9月～2019年8月的自動與人工監測的各月蒸發量12 組數據進行統計分析，見表3。從表3 看，各月相對誤差基本在7%以內，占83%。其中2019年3月、4月的絕對誤差和相對誤差較大，2019年3月、4月富陽站出現持續降水、回南天氣，人工觀測的蒸發量偏小，誤差較大，其余月份所占比例均在7%以內，符合《水面蒸發觀測規范》（SL630-2013）技術要求。

表3 富陽站自動與人工月蒸發量比對表

2.4.2 月蒸發量相關曲線圖

將自動蒸發與人工蒸發月總量共12 組比對數據繪制相關曲線圖，見圖6。從圖6 可見，人工觀測與自動觀測的相關點在圖上分布密集，呈直線趨勢，建立人工蒸發量y對自動蒸發量x的回歸直線方程，兩者的相關系數R為0.9883，說明兩種觀測方式取得的監測數據存在明確的線性關系，斜率接近1，且相關關系顯著。

圖6 富陽站自動與人工逐月蒸發量相關曲線圖

2.4.3 年蒸發量分析

因設備安裝時間的原因，本次比測時間是跨年度，但時間是連續的，對年蒸發量比測分析無實質的影響。2018年9月～2019年8月人工監測年蒸發量為923.4 mm，自動蒸發系統所監測年蒸發量945.3 mm，相對誤差為2.4%，誤差符合規范要求。

3 影響觀測結果的主要因素分析

3.1 資料收集方式、蒸發量計算方法對比

（1）自動蒸發。自動蒸發系統雨量計精度可達0.01 mm，量程達80 mm/5 min，蒸發精度0.01 mm，可每5 min收集一次數據，每日08：00統計上一日的蒸發量，產生的誤差較小。

（2）人工蒸發。人工觀測的蒸發器，于每日08：00采用測針進行人工觀測一次，采用人工降雨量計算日蒸發量，如遇強降雨，則增加觀測次數。因不同人員，不同觀測位置、不同視覺等都是影響蒸發讀數的重要因素，產生的誤差較大。

3.2 運行維護

3.2.1 共同點

（1）每月檢查觀測草坪草的高度，如草的高度超過20 cm時應進行修剪。

（2）每月進行1次蒸發器換水和水圈的維護。

（3）每月初進行上月資料的整編。

3.2.2 不同點

（1）自動蒸發。①每日登陸軟件系統檢查降水和蒸發等數據情況，分析其合理性；②每月對自動蒸發系統的太陽能電池板、蓄電池、機箱、RTU、CPRS 模塊進行檢查和維護；③每月月初可在系統內導出數據進行存儲，下載的成果報表可直接用于資料整編，不需人工計算；④自動蒸發系統發生故障時，工作人員可進行檢查和維修，如不能維修，可聯系運維方或供應商進行在線指導維修，在資料缺失的天數，可恢復人工觀測。

（2）人工蒸發。①每日08 時需要進行人工觀測，增加勞動力，觀測數據也存在很大的人為誤差；②若人工觀測出現較大誤差時，只能進行前后日對比更正；③每月初進行資料整編時只能人工錄入電腦，容易出現錄錯等現象。

4 結語

從以上分析可以看出，全自動稱重式蒸發系統與人工觀測所監測富陽站的日、旬、月、年蒸發量的差別不明顯，相關顯著。這說明全自動稱重式蒸發系統的測量數據理論精度較高，同時能實現蒸發的可靠測量，滿足《水面蒸發觀測規范》（SL630-2013）的技術要求，該TEZ-601全自動稱重式蒸發系統可代替人工蒸發觀測應用于富陽站蒸發量觀測及資料整編。

自動蒸發系統自啟用以來，運行穩定，沒有出現設備故障、數據中斷等現象。為大力推進水文現代化建設，提高水文監測自動化水平，解放基層人力資源，使基層水文人從每日需要職工駐守觀測的模式中解放出來，采用自動化設備是基層水文的發展趨勢。