自動蒸發儀在加義（二）水文站的比測應用

賀盼盼

（湖南省岳陽水文水資源勘測中心,湖南 岳陽 414000）

在水文要素的觀測中,水面蒸發量的觀測在實現水文現代化的進程中是一個難題。水面蒸發量與降水量是每日8時同步觀測的,蒸發量的計算需要結合日降水量來進行計算,兩者的人工觀測精度都是到0.1 mm。往年,在解決精度和準確度問題上存在一定的技術難題,近年來,隨著科技高速進步,水文現代化的發展日新月異,測驗設備的改進也與時俱進,如今,結合測站特性實現無人值守的全自動數字化水文監測已經成為可能。

1 測站基本情況

加義（二）站位于湖南省平江縣加義鎮楊柳村,集水面積1567 km2,設立于1951 年2 月, 1968年1月下遷約2 km,改名為加義（二）站。該站為二類精度站,是汨羅江干流上游的重要控制站,站址以上控制流域面積1567 km2,斷面以上干流長80 km,距河口173 km,該站測驗項目有水位、流量、降水、蒸發。

圖1 加義（二）站位置示意圖

2 蒸發觀測情況

加義（二）站人工觀測水面蒸發采用的是E601 型水面蒸發器,儀器設置在氣象觀測場中。觀測場地位于汨羅江右岸,地勢較開闊,背靠山坡,觀測場四周是透視圍欄,人工草坪,水源為淡水,場地設置滿足規范要求。水面蒸發觀測時間以8 時為日分界,即每日8 時觀測一次,人工蒸發的觀測精度為0.1 mm,人工日降水量的雨量器觀測精度為0.1 mm。

后引進了HS-LE30 型全自動蒸發系統,該系統的水文要素值觀測精度與人工一致,安裝調試之后便投入試運行階段。該系統自運行以來,狀態穩定,數據傳輸存儲均正常。為確保HS-LE30 型全自動蒸發系統能順利投入生產使用,在系統運行后就立即開始了對比觀測,目前對已經收集到2020 年5 月至2020 年10 月自動蒸發與人工蒸發同步觀測數據開展分析,形成了分析比測報告。

3 HS-LE30型全自動蒸發系統的組成和工作原理

3.1 基本情況

HS-LE30型全自動蒸發系統由水面蒸發器、高精度雨量計、高精度蒸發傳感器、控制單元、遙測終端機、補排水裝置及配套的軟件系統構成。該系統能按照《水面蒸發觀測規范》《降水量觀測規范》《水文自動測報系統技術規范》《水文情報預報規范》《水情信息編碼要求》等規范文件的要求,自動測量蒸發量和降水量,并將測得數據通過無線網絡發送至中心站服務器軟件平臺,實現蒸發及降水觀測的自動化。

圖2 HS-LE30型全自動蒸發系統結構圖

3.2 工作原理

圖3 HS-LE30型全自動蒸發系統工作原理示意圖

激光位移傳感器負責檢測E601 水面蒸發器的水位值,高精度稱重雨量計負責通過重量檢測降水量。控制單元用前一天8 點鐘的水位值減去當天8 點鐘的水位值,再加上當天8 點前的雨量得出前一天的蒸發量。當發生抽排水時,將抽排水前的蒸發量計算出來；抽排水后的水位更新為上一次水位基值,蒸發所用雨量清零,蒸發量等于抽排水前的蒸發量加上當前水位減去上一次水位基值再加上新的雨量值。

加排水量的工作流程是根據設置的加排水門限參數進行加排水。加排水門限參數包括：汲水閾值、加水閾值、停止閾值。當激光位移傳感器檢測到水位高于汲水閾值時,先計算之前蒸發量,然后開啟泵對E601 蒸發器進行排水,排水過程中監測水位的變化,當水位值低于停止閾值時停止排水。排水后將蒸發所用雨量清零,排水后的水位更新為上一次水位基值。當激光位移傳感器檢測到水位低于加水閾值時,先計算之前的蒸發量,然后開啟泵對E601 蒸發器進行加水,加水過程中監測水位的變化,當水位值高于停止閾值時停止加水。加水后將蒸發所用雨量清零,加水后的水位更新為上一次的水位基值。

4 比測資料分析

4.1 比測方法

比測方法主要根據《水面蒸發觀測規范》《降水量觀測規范》中的相關規定,每天上午8 點采用人工觀測蒸發器和雨量計數據,同時自動雨量蒸發系統采集蒸發和雨量數據,將人工觀測的數據和自動雨量蒸發系統采集的數據進行對比分析。

4.2 計算公式

依據《水面蒸發觀測規范》規定,E601 型蒸發器人工觀測蒸發量的計算公式為：

式中：E為日蒸發量,mm；P為日降水量,mm；∑h取,∑h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,mm；∑h溢為前一日8時至當日8時各次溢流水量之和,mm；h1,h2為上次（前一日）和本次（當日）的蒸發器水面高度,mm。

自動蒸發儀由于是利用激光位移傳感器負責檢測E601水面蒸發器的水位值,兩者觀測到的數據存在一定偏差,因此需要按綜合折算系數將自動蒸發儀觀測數值轉換為標準蒸發值。計算公式如下：

式中：E為標準蒸發量,mm；E自為自動蒸發儀測出的蒸發量,mm；K1為綜合折算系數,需要同步比測確定。

K1需要通過同步比測確定,即自動蒸發儀觀測的同時,人工采用E601 型蒸發器觀測,統計時段內的各自蒸發總量,按下式計算出綜合折算系數：

自動蒸發儀投入實際生產,進行同步比測,確定其K1值將其換算成標準的蒸發量。

4.3 比測數據采集

加義（二）站自動雨量蒸發系統于2020 年4 月28 日完成安裝調測并投入運行,5月1 日起開始比測。截止10 月31日共收集了加義站184條雨量,蒸發數據因儀器電壓不足及儀器故障導致共收集174條數據。

4.4 比測數據分析

4.5 數據系列檢查

現對比的數據來說除電壓低、儀器故障等特殊情況導致數據記錄有誤之外,并不存在數據丟失的情況。因本次對比的數據不涵蓋冬季時節的降雪融雪期間,正常情況來說由于融雪過程較長,人工觀測降雨量記錄產生滯后,甚至連續跨越多天,因此會導致降雪及融雪期間自動蒸發數據異常。在后期的站點運行中,降雪及融雪期間時期仍采用人工觀測蒸發及降雨。

4.6 數據系列合理性分析

將2020年5月至2020年10月每日自動蒸發儀觀測值（沒有經過K1改正）與人工觀測蒸發值分別繪制趨勢圖,從圖中可以看出：

自動蒸發儀觀測值（沒有經過K1改正）與人工蒸發觀測值變化趨勢除儀器故障外的數據基本一致,說明自動蒸發儀數據是可靠的。

將2020年5月~10月每月人工蒸發觀測值、自動蒸發儀觀測值（沒有經過K1改正）點繪對照圖見圖5。

圖5 自動蒸發（沒有經過K1改正）與人工觀測值月對照圖

從圖中可以看出,自動蒸發儀觀測值（沒有經過K1改正）與人工蒸發觀測值變化趨勢一致,蒸發值月變化規律合理,說明自動蒸發儀數據是可靠的。

5 誤差分析

從表1、表2、圖4、圖5可以看出,自動蒸發儀觀測的數據（沒有經過K1改正）較人工觀測的蒸發數據系統偏小,主要原因如下：

表1 對比觀測數據統計表 單位：mm

圖4 自動蒸發（沒有經過K1改正）與人工觀測值日對照圖

1）自動蒸發儀激光位移傳感器負責檢測E601水面蒸發器的水位值,加排水根據設置的加排水門限參數進行加排水。在監測時,加排水過程中產生了一定的誤差。

2）人工蒸發計算采用JQR01雨量器人工觀測雨量,自動蒸發儀蒸發計算采用稱重法雨量計自動觀測雨量。從目前的雨量數據對比來看,兩套雨量設備的雨量記錄幾乎接近,但仍存在一定的誤差。

3）自動蒸發儀與人工蒸發儀雖然安裝在同一氣象園中,但環境仍有一定差別,導致人工觀測和自動蒸發儀蒸發量存在一定的誤差。

4）自動蒸發儀的碼盤、編碼器,人工觀測設備如測針、量杯等也存在一定誤差,稱為計量誤差。

5）人工觀測存在估讀誤差。

上述誤差可以分為系統誤差和隨機誤差。系統誤差可以通過綜合換算系數K1消除。隨機誤差只能通過改進儀器設備精度等方式來改善。

6 系數分析

采用2020年5月至10月人工蒸發觀測總量、自動蒸發儀觀測總量（沒有經過K1改正）按照公式4計算K1值。

7 精度評價

利用分析出的綜合折算系數K1值,對自動蒸發儀數據進行換算,得到自動蒸發儀標準蒸發量。按月份統計誤差見表。

從表3中可以看出,經過K1換算后,自動蒸發儀觀測數據與人工觀測值誤差較小,滿足相關觀測要求,自動蒸發儀觀測數據可以用于水文資料整編。

表3 誤差統計表 單位：mm

8 結語

加義（二）站HS-LE30型全自動蒸發系統運行狀態穩定,數據傳輸正?？煽俊Ｍㄟ^分析計算,除降雪及融雪時段外,自動蒸發觀測數據通過K1系數改正后得到的標準蒸發值與人工觀測值比較,誤差滿足相關規范要求,可以投入生產應用。但需定時在網上查看8時自動蒸發的數據,當出現降雪及融雪時段、電壓低、儀器故障等現象導致數據丟失時,立即開展人工觀測至數據恢復正常。