FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)在長(zhǎng)清水文站的應(yīng)用分析

趙鈺 王正紅 張艷 姚本剛

摘要：FFH100型蒸發(fā)系統(tǒng)主要用于非冰期蒸發(fā)測(cè)量。通過對(duì)比分析自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)資料和人工觀測(cè)資料，對(duì)系統(tǒng)觀測(cè)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：在大雨期間蒸發(fā)受到的影響較大，無雨或小雨條件下自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)可代替人工觀測(cè)，但無法解決冰期測(cè)量要求。下一步可對(duì)冰期蒸發(fā)的自動(dòng)觀測(cè)做探索研究，并對(duì)應(yīng)用中存在的問題提出改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng);非冰期蒸發(fā)測(cè)量;資料對(duì)比;誤差分析;蒸發(fā)觀測(cè)

中圖法分類號(hào)：P333文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.003

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）07 - 0014 - 03

1 概 況

長(zhǎng)清水文中心位于濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)平安街道辦事處潘西村農(nóng)高路北首，2017年經(jīng)山東省委機(jī)構(gòu)編制委員會(huì)辦公室批復(fù)成立，隸屬于濟(jì)南市水文局。該中心配備有E601蒸發(fā)器和20 cm蒸發(fā)皿，用于冰期和非冰期蒸發(fā)量的人工觀測(cè)。近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，水文信息化自動(dòng)化程度越來越高，更多新技術(shù)新設(shè)備應(yīng)用于水面蒸發(fā)測(cè)量，該中心2020年初安裝使用了FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)，能夠高精度監(jiān)測(cè)雨間蒸發(fā)量，并支持無線遠(yuǎn)傳和發(fā)報(bào)，主要用于非冰期的蒸發(fā)量測(cè)量。

2 自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及原理

蒸發(fā)量是指在一定時(shí)段內(nèi)，水分經(jīng)蒸發(fā)而散布到空中的量，通常用蒸發(fā)掉的水層厚度的毫米數(shù)表示，水面或土壤的水分蒸發(fā)量，分別用不同的蒸發(fā)器測(cè)定。一般溫度越高、濕度越小、風(fēng)速越大、氣壓越低，則蒸發(fā)量就越大;反之蒸發(fā)量越小。人工觀測(cè)蒸發(fā)一般采用E601B型水面蒸發(fā)器，桶底中心裝有1個(gè)直管，直管上端裝有測(cè)針座和水面指示針，每天08：00觀測(cè)[1]，將測(cè)針插入測(cè)針座，讀取水面高度，根據(jù)每天水位變化與降水量計(jì)算蒸發(fā)量。

FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)主要由 E601B 蒸發(fā)桶、水位專用測(cè)桶、高分辨率雨量計(jì)、智能測(cè)控器和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等組成（圖1）。該蒸發(fā)系統(tǒng)具有主動(dòng)溢流、自動(dòng)補(bǔ)水功能，能自動(dòng)記錄每日蒸發(fā)量與降雨量數(shù)據(jù)，并支持無線遠(yuǎn)傳和發(fā)報(bào)，可用于無人值守的蒸發(fā)站。

2.1 位移觀測(cè)

FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)通過采集蒸發(fā)桶內(nèi)液面位移變化來計(jì)算蒸發(fā)量。位移的采集主要通過磁致伸縮傳感器讀取數(shù)據(jù)信息，分辨率可達(dá)0.024 mm。傳感器通過兩個(gè)磁場(chǎng)相交產(chǎn)生1個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)，準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際位移值。由于傳感器輸出信號(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無須重新歸零，且敏感元件是非接觸的，就算不斷重復(fù)檢測(cè)，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損，可大大地提高檢測(cè)的可靠性和使用壽命[3]。

2.2 自動(dòng)補(bǔ)水、排水

測(cè)控器上設(shè)置標(biāo)志線位置，作為自動(dòng)補(bǔ)水、溢流操作的參考線。該系統(tǒng)通過控制標(biāo)志線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水排水。每日08：00，當(dāng)液位低于標(biāo)志線以下10 mm時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)水操作，液位達(dá)到標(biāo)志線后停止補(bǔ)水操作。每日08：00，當(dāng)液位高于標(biāo)志線20 mm時(shí)進(jìn)行溢流操作，1 d內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多次溢流。

2.3 雨量觀測(cè)

蒸發(fā)器配套雨量計(jì)為特制0.1 mm 分辨率自計(jì)雨量器，通過控制測(cè)控器采集雨量信息，根據(jù)蒸發(fā)量計(jì)算公式，自動(dòng)求得1 d內(nèi)實(shí)際蒸發(fā)量。

3 計(jì)算方法和過程

根據(jù)我國(guó)SL630-2013 《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》的規(guī)定，此自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)無需對(duì)溢流量與補(bǔ)水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，所以非冰期日蒸發(fā)量應(yīng)按下式計(jì)算：

E=P+（h1-h2）×1.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：E為日蒸發(fā)量，mm; P為日降水量，mm;h1、h2分別為上次（前一日）和本次（當(dāng)日）的蒸發(fā)器水面高度，mm。

該蒸發(fā)面積為E601B 與水位專用測(cè)桶面積之和，所以該蒸發(fā)器每蒸發(fā)1 mm 相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)E601B 蒸發(fā)皿的1.1 mm，液位差也要乘以 1.1倍的系數(shù)[2]。

4 資料對(duì)比分析

4.1 日觀測(cè)誤差分析

通過對(duì)每日觀測(cè)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1，日誤差最大為2.7 mm，出現(xiàn)在2020年8月。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，比測(cè)期內(nèi)誤差范圍小于±0.2 mm的天數(shù)占比為80.87%，誤差較小，日蒸發(fā)觀測(cè)絕對(duì)誤差均能控制在3.0 mm以內(nèi)。

4.2 旬觀測(cè)誤差分析

通過對(duì)旬觀測(cè)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2，旬誤差最大為7.2 mm，最大相對(duì)誤差為16.51%，出現(xiàn)在6月中旬，其余旬蒸發(fā)觀測(cè)絕對(duì)誤差均能控制在3.0 mm以內(nèi)。

4.3 月觀測(cè)誤差分析

FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)2020年初安裝調(diào)試完成，在非冰期內(nèi)對(duì)蒸發(fā)資料進(jìn)行分析整理。3～8月自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)與人工觀測(cè)對(duì)比成果見表3。表3中，以人工蒸發(fā)觀測(cè)值為基準(zhǔn)，人工值減去自動(dòng)蒸發(fā)值作為蒸發(fā)誤差，自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)值月總量整體偏大，月最大誤差為5.0 mm，最大相對(duì)誤差3.74%，其余相對(duì)誤差均在4%以內(nèi)[4]。

5 誤差成因分析

（1）根據(jù)結(jié)果的對(duì)比分析，在當(dāng)日產(chǎn)生自動(dòng)加水、排水時(shí)日蒸發(fā)量誤差變幅出現(xiàn)波動(dòng)情況，可能是自動(dòng)蒸發(fā)儀器本身誤差、人工觀測(cè)所用測(cè)針本身誤差等造成[5]。

（2）在無雨或小雨期間，該自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)在發(fā)生補(bǔ)水或溢流的當(dāng)日與次日存在觀測(cè)誤差偏大。分析誤差產(chǎn)生的原因?yàn)椋合到y(tǒng)設(shè)定為每天08：00，液位按照設(shè)定的補(bǔ)水線或溢流線進(jìn)行補(bǔ)水或溢流操作，同時(shí)08：30要進(jìn)行加測(cè)，因?yàn)楫a(chǎn)生補(bǔ)水或溢流后液位已發(fā)生變化，需重新對(duì)當(dāng)日起點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，式（1）中h1或h2會(huì)自動(dòng)替換為08：30觀測(cè)值，進(jìn)而產(chǎn)生誤差。

（3）在大暴雨期間，由于溢流過程中，降雨過程不斷持續(xù)，損失部分降雨量，并被自動(dòng)統(tǒng)計(jì)為蒸發(fā)量，影響蒸發(fā)量的準(zhǔn)確計(jì)算，從而產(chǎn)生誤差。該誤差變化較大，最大誤差可達(dá)2.7 mm。

6 結(jié) 論

（1）經(jīng)過一段時(shí)間的對(duì)比觀測(cè)，該自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)精度可滿足規(guī)范要求，由于觀測(cè)時(shí)間較短，需對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的長(zhǎng)期積累，再做計(jì)算分析。

（2）在無雨或小雨期間，自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的主要原因是系統(tǒng)本身由于補(bǔ)水或溢流造成的觀測(cè)誤差。大雨期間蒸發(fā)受到影響較大，大暴雨是導(dǎo)致自動(dòng)蒸發(fā)誤差較大的主要原因，需進(jìn)一步改進(jìn)，如對(duì)溢流量進(jìn)行收集觀測(cè)，才能更好提高測(cè)驗(yàn)精度。

（3）FFH100型自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)只適用于非冰期的蒸發(fā)測(cè)量，無法滿足冰期測(cè)量要求，下一步可對(duì)冰期蒸發(fā)的自動(dòng)觀測(cè)做探索研究，實(shí)現(xiàn)全年的無人值守。

參考文獻(xiàn)：

[1] SL 630-2013 水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范[S].

[2] 楊溯，高然. 水面蒸發(fā)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置液位計(jì)的選型[J]. 吉林水利，2018（7）：49-52.

[3] 梁智杰. 數(shù)字水面蒸發(fā)站在容縣水文站的應(yīng)用分析[J]. 廣西水利水電，2020（1）：88-90，95.

[4] 柯斌樑，孫英軍，胡永成. 自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)在分水江站的應(yīng)用[J]. 浙江水利科技，2019，47（3）：45-47.

[5] 劉臘梅. 蕉坑站自動(dòng)與人工觀測(cè)蒸發(fā)資料對(duì)比分析[J]. 甘肅水利水電技術(shù)，2018，54（11）：4-6.

（編輯：唐湘茜）

Analysis on application of FFH100 automatic evaporation system in Changqing Hydrological Station

ZHAO Yu， WANG Zhenghong， ZHANG Yan， YAO Bengang

（Jinan Hydrological Center， Jinan 250013， China）

Abstract： FFH100 evaporation system is mainly used for evaporation measurement in non-ice period. By comparing and analyzing the automatic evaporation observation data and manual observation data， the system observation error is statistically evaluated. It is concluded that under the condition of large rainfall， the observation will be influenced， while in the days with small rain and without rain， automatic evaporation system can replace the manual observation， but it cannot observe in icy day. The automatic observation in icy day should be studied in next stage. Some improvement suggestions for the problems existed in the application are out forward.

Keywords： FFH100 automatic evaporation system; evaporation measurement in non-ice period; data comparison;error analysis; evaporation measurement