后營站自動水面蒸發觀測系統誤差分析

（山東省濟寧市水文局 濟寧 272019）

1 前言

后營水文站位于南水北調東線梁濟運河段河道樁號8+400 處，為南四湖流域梁濟運河干流控制站，目前該站主要觀測項目有降水量、水位、流量、蒸發、泥沙、水文調查、水質、冰情、墑情，觀測任務較重。后營站蒸發觀測設備為E601B 型蒸發器，每天8:00 定時人工觀測方式，無法得到短歷時蒸發量變化過程，也不能實現蒸發量的自動存儲和遠程傳輸。為推進水文測報方式改革，提升蒸發量觀測的現代化水平，安裝了一套MKHY·FFZ-02 型全自動數字化水面蒸發觀測站系統，以實現蒸發量的自動觀測、存儲及遠程傳輸，完成蒸發量的在線實時監測。

后營水文站自2019年5月起對MKHY·FFZ-02型全自動蒸發系統與E601B 水面蒸發器的日蒸發量進行比測，采用5 到11月的比測資料，得到208日的自動監測日蒸發量與人工觀測日蒸發量比測成果。經比測發現，自動觀測數據與人工觀測數據差異較大，本次研究將對其差異進行分析研究，找出差異原因，對下一步比測工作提出合理化建議。

2 自動水面蒸發儀器概況

2.1 自動水面蒸發儀器介紹

后營水文站采用的自動蒸發儀器為MKHY·FFZ-02 型全自動數字化水面蒸發觀測站系統。該儀器以E601B 蒸發器為中心，配套分辨率0.1mm 的雨量筒，液位測量、補排水系統、控制通訊系統、電源、軟件系統等。與其他自動蒸發觀測儀器相比，MKHY·FFZ-02 型儀器采用主動定量汲水方案，無溢流計量狀態。蒸發器水位測量采用的磁致伸縮液位傳感器利用磁致伸縮原理，通過測量發出的電脈沖與兩個不同磁場相交產生的感應脈沖之間的時間差精確算出蒸發器內水面高度。

2.2 日蒸發量計算原理

根據《水面蒸發規范》（SL630-2013），日蒸發量按照公式（6.2.2-1）計算：

圖1 自動與人工觀測日蒸發量逐日對比圖

圖2 自動與人工觀測日蒸發量觀測誤差直方圖和正態分布圖

式中，E 為日蒸發量；P 為日降水量；Σh取、Σh加為前一日8 時至當日8 時各次取出水量之和及加入水量之和；Σh溢為前一日8 時至當日8 時各次溢流水量之和；h1、h2為前一日和當日的蒸發器水面高度。[1]

由上述公式可以看出，日蒸發量誤差主要取決于降水量、取水量、加水量、溢流量及蒸發器內液面高度測量的準確性。由于后營站應用的自動蒸發儀器采用主動定量汲水方案，無溢流計量狀態，因此主要從降水量、取水量、加水量及蒸發器內液面高度測量等4 個方面進行誤差分析。

3 蒸發量誤差分析

3.1 自動蒸發觀測器誤差分析

3.1.1 系統誤差

通過對比后營水文站5月至11月自動觀測及人工觀測的日蒸發量，如圖1自動與人工觀測日蒸發量逐日對比圖和圖2自動與人工觀測日蒸發量觀測誤差直方圖和正態分布圖，可以看出人工蒸發觀測數值整體大于自動蒸發量測數值，自動蒸發系統測量數值存在約-0.7mm 左右的系統偏差。分析其系統誤差產生原因，蒸發桶與蒸發傳感器通過連通管連接起來，蒸發傳感器測量的水位與蒸發桶內水位應該存在換算關系。按照廠家提供的方法，將自動蒸發量乘以修正系數訂正后，訂正后的自動觀測量與人工觀測蒸發量仍存在較大差異。

3.1.2 降水誤差

全自動蒸發儀器采用分辨率0.1mm 的磁致伸縮液位式雨量器，與觀測場內人工雨量計、分辨率0.5mm 的翻斗式雨量計進行對比，人工觀測雨量與翻斗式雨量計監測的日雨量相近，與自動蒸發儀器監測的日雨量有一定差距，以降水量＜10mm 時測量誤差±0.1mm 以內，降水量≥10mm 時測量誤差±0.2mm 以內為合格（見表1），5 至11月共發生48 場降水，小于10mm 的降水有37 場，其中有15場誤差不超限，合格率為40.5%；大于等于10mm的降水11 場，僅有1 場誤差不超限，合格率9.1%。

表1 自動觀測降水量與人工觀測降水量誤差統計表（單位：場）

以8月6日至7日連續降水為例，人工觀測雨量為146.2mm，翻斗式雨量計測量雨量為143.5mm，而自動蒸發儀器監測的雨量為153.5mm，人工觀測雨量與翻斗式雨量計監測的雨量相近，與自動蒸發儀器監測的雨量有一定差距。通過繪制兩個儀器監測的降水過程（見圖3）可以發現，兩個儀器的雨量誤差主要來自于8月6日13 時至15 時、8月7日2 時至5 時兩處高強度連續降水的測量上。

3.1.3 蒸發器內液面高度測量誤差

除降水外，還需要分析風的因素對自動蒸發的影響。對于其他自動蒸發儀器，大風對其造成的影響主要表現在時段蒸發量的負值處理上：時段蒸發量為上次蒸發器內水面高度減去本次蒸發器內水面高度，當差值為負值時程序會自動將該時蒸發量處理為0.0mm[2]。而MKHY·FFZ-02 型自動蒸發器程序將保持負值差值，累計計入日蒸發量中，并在下一時段風停時抵消該負值影響，因此大風不會對MKHY·FFZ-02 型自動蒸發器的日蒸發量產生影響。

3.1.4 加水、汲水

自動蒸發儀器加水、汲水均在封閉的環境下進行，受外部環境影響較小[3]。除考慮外部環境外，還需要考慮蒸發器內液面高低對蒸發產生的影響。在同一環境下，蒸發器內水體越少，水體溫度就越高，蒸發就越大。而自動蒸發系統的自動加、汲水功能使蒸發器內水面高度保持在一定范圍內，最大程度上排除了蒸發器內液面高低對蒸發量的影響。

3.2 人工觀測誤差

由于不同觀測人員的觀測習慣、反應速度各不相同，會導致人工觀測的日蒸發量出現偏差。雷電暴雨等惡劣天氣也會影響人工觀測的準確性。

圖3 8月6日至7日磁致伸縮液位式雨量器和翻斗式雨量計監測的降水過程圖

4 結論及建議

4.1 結論

（1）自動觀測后營站全自動蒸發觀測系統測量的日蒸發量整體偏小，存在約為-0.7mm 左右的系統偏差值，應調整參數設置，進行系統修正。

（2）全自動蒸發儀器采用的磁致伸縮液位式雨量器在測量小于10mm 的降水時合格率為40.5%，測量大于等于10mm 的降水時合格率僅為9.1%，合格率較低，降水量等外部水量測量不準確是導致蒸發量觀測誤差的一重要影響因素。

4.2 意見與建議

對比人工觀測，全自動蒸發觀測系統能夠排除因觀測人員不同觀測習慣而產生的人為因素影響以及惡劣天氣對觀測質量的影響。自動蒸發系統的自動加、汲水功能使蒸發器內水面高度保持在一定范圍內，最大程度上排除了蒸發器內液面高低對蒸發量的影響。經去年一年的運行，自動蒸發系統運行穩定，工況良好，極少發生設備故障。就長遠來看，自動觀測系統能夠節省大量人力、物力，排除人為及天氣等因素干擾，符合打造智慧水文的要求，其上線運行是勢在必行的，需要做好儀器的對比觀測及運行維護工作，選擇出適合本地區的自動蒸發觀測儀器。

（1）進一步加強比測工作。建議重新校核鑒定雨量器，并在下一階段的比測中做好磁致伸縮液位式雨量器與翻斗式雨量器、人工雨量器的對比觀測記錄。調整系統參數設置，修正系統偏差，做好對比觀測記錄表，每日及時對比分析人工及自動觀測蒸發量誤差，對異常數據應立即查明原因并及時解決。

（2）加強對儀器運行工況的監測及運行管理維護。MKHY·FFZ-02 型全自動數字化水面蒸發觀測站系統的維護包括自動蒸發設備的維護以及網上數據接收系統的維護兩部分，應建立好維護日志，做好儀器設備的日常檢查工作，發現儀器故障及時維修，并做好儀器的冬季防凍工作■