TEZ-601全自動(dòng)水面遙測蒸發(fā)站應(yīng)用比測分析

歐 健

（貴港水文中心，廣西 貴港 537100）

近年來水文信息化技術(shù)快速發(fā)展，降雨量、水位、流量基本已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，而水面蒸發(fā)量的自動(dòng)觀測仍是一大難題。為提高水文監(jiān)測自動(dòng)化水平，減輕測站人員工作強(qiáng)度，2019年3月，貴港水文中心引進(jìn)TEZ-601 全自動(dòng)水面遙測蒸發(fā)站在大湟江口水文站安裝投入試運(yùn)行。試運(yùn)行以來，儀器運(yùn)行正常。為了更好地研究和推廣自動(dòng)蒸發(fā)觀測技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)采用大湟江口水文站2019 年9 月～2020 年9 月TEZ-601 自動(dòng)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(jìn)行對比分析，校驗(yàn)自動(dòng)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(shí)以自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)取代傳統(tǒng)人工觀測方法的可行性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)監(jiān)測自動(dòng)化與智能化。

1 TEZ-601 全自動(dòng)水面遙測蒸發(fā)站概述

1.1 測量原理及安裝

TEZ-601 全自動(dòng)水面遙測蒸發(fā)站采用稱重法測量技術(shù)。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(dāng)蒸發(fā)器或雨量桶被電動(dòng)推桿帶動(dòng)放置在蒸發(fā)秤盤上時(shí)，蒸發(fā)器和雨量桶應(yīng)當(dāng)不再受到電動(dòng)推桿的力，使其保持自由狀態(tài)下進(jìn)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(shè)置有排補(bǔ)水系統(tǒng)。基于自動(dòng)控制系統(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(shè)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(jìn)行排補(bǔ)水，若需要，則控制排補(bǔ)水系統(tǒng)工作，執(zhí)行具體的排補(bǔ)水操作。同時(shí)，將稱重后的排補(bǔ)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(jì)算，確保后期蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果精確。

雨量桶安裝在蒸發(fā)桶的右側(cè)，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(shè)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(shè)在土中。安裝示意圖見圖1。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

TEZ-601 全自動(dòng)水面遙測蒸發(fā)站依據(jù)傳統(tǒng)E601B 蒸發(fā)器基礎(chǔ)上通過連通器的原理，采用稱重法實(shí)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(jì)（其設(shè)備分別集成安裝在蒸發(fā)箱和雨量箱內(nèi)）、能自動(dòng)排水和補(bǔ)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(dòng)排水和補(bǔ)水。

1.3 儀器蒸發(fā)量計(jì)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(gè)長150 mm寬150 mm高200 mm 的小型水箱，該水箱完全放置在一個(gè)精密天平上，水箱上部有一個(gè)Φ3 mm 透氣小孔（用于平衡大氣壓力）。水箱底部有一個(gè)進(jìn)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(dāng)E601B蒸發(fā)器水位變化時(shí)，蒸發(fā)儀水箱內(nèi)部的水位通過連通管道會(huì)和E601B 蒸發(fā)器之間水位始終保持一致，這時(shí)天平會(huì)讀出蒸發(fā)儀水箱的水位變化質(zhì)量，通過水的體積和密度關(guān)系可以計(jì)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(dòng)補(bǔ)水溢流裝置。該系統(tǒng)配備了一個(gè)60 L補(bǔ)水箱，補(bǔ)水箱上部有2臺高速自吸水泵，一臺負(fù)責(zé)補(bǔ)水，一臺負(fù)責(zé)溢流，通過主機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)E601B 蒸發(fā)器內(nèi)水面上升到“上警戒高度（軟件設(shè)置）”時(shí)，溢流泵開始啟動(dòng)，將E601B 蒸發(fā)器內(nèi)的水抽到補(bǔ)水箱中，直至水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度（軟件設(shè)置）。反之，當(dāng)E601B蒸發(fā)器內(nèi)水面下降到“下警戒高度（軟件設(shè)置）”時(shí)，補(bǔ)水泵開始啟動(dòng)，將補(bǔ)水箱內(nèi)的水抽到E601B蒸發(fā)器中，直至水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度（軟件設(shè)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(jì)。其蒸發(fā)量E＝P－∑h取－∑h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(shí)至當(dāng)日08時(shí)各次取出水量之和及加入水量之和，mm；∑h溢為前一日08 時(shí)至當(dāng)日08 時(shí)各次溢流水量之和，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。

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(dāng)E601B 蒸發(fā)器水位變化時(shí)，蒸發(fā)儀水箱內(nèi)部的水位通過連通管道會(huì)和E601B蒸發(fā)器之間水位始終保持一致，經(jīng)自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)計(jì)算處理后得出蒸發(fā)量，簡稱“自動(dòng)蒸發(fā)量”。人工觀測蒸發(fā)量扔按原方法進(jìn)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(gè)月的人工觀測月蒸發(fā)量與自動(dòng)觀測月蒸發(fā)量進(jìn)行分析，兩者蒸發(fā)總量雖然有40.9 mm 的誤差，但只有2 個(gè)月的蒸發(fā)量誤差在±5.0 mm 以上，其余11個(gè)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(dòng)水面遙測蒸發(fā)系統(tǒng)自動(dòng)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(jì)表見表1。

表1 大湟江口水文站人工觀測與自動(dòng)觀測月蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計(jì)

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(dòng)觀測日蒸發(fā)量進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖1和表2。人工觀測日蒸發(fā)量過程線與自動(dòng)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(dá)到規(guī)范要求。全年蒸發(fā)數(shù)據(jù)關(guān)系較集中，有較好的單值對應(yīng)關(guān)系。

表2 大湟江口水文站人工觀測與自動(dòng)觀測日蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計(jì)

2.4 蒸發(fā)量一致率分析

2.4.1 人工觀測與自動(dòng)觀測蒸發(fā)一致率

一致率，即對比觀測時(shí)間內(nèi)人工觀測日蒸發(fā)量與自動(dòng)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(dòng)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(dòng)觀測日蒸發(fā)量誤差小于1.0 mm 的天數(shù)；P總為自動(dòng)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(dòng)觀測蒸發(fā)量一致率分析

統(tǒng)計(jì)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(dòng)觀測日蒸發(fā)量誤差小于1.0 mm 的天數(shù)，計(jì)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(dòng)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(dá)到90%以上的有11 個(gè)月，其余兩個(gè)月一致率是86.7%；13個(gè)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(dòng)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(dòng)觀測蒸發(fā)一致率分析

2.5 受降水影響自動(dòng)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(gè)重要因素，故將有降水之日的蒸發(fā)量單獨(dú)統(tǒng)計(jì)出來分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，從數(shù)據(jù)上看，降雨強(qiáng)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(dòng)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(dòng)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(shí)期，人工監(jiān)測的雨量與儀器自動(dòng)監(jiān)測雨量存在一定的誤差，但通過儀器自動(dòng)辨別和處理，能有效地控制和減輕蒸發(fā)量的誤差。因?yàn)槿斯び^測一般每日進(jìn)行1 次（一般為每日08 時(shí)）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(jì)算，不能有效的區(qū)分開來，這樣計(jì)算出的日蒸發(fā)量誤差就會(huì)較大；而儀器是采用高精度液位傳感器來實(shí)時(shí)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(shí)期優(yōu)勢更為突出，該儀器能把降雨和無降雨的時(shí)段區(qū)分出來，在自動(dòng)測量過程中能將一些外界干擾的因素進(jìn)行處理，在消除隨機(jī)誤差方面儀器觀測是優(yōu)于人工觀測。

3 TEZ-601全自動(dòng)水面遙測蒸發(fā)站的故障與維護(hù)

（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(jī)沒有顯示。可以先檢查電源導(dǎo)線各連接點(diǎn)接觸是否松動(dòng)，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(jī)檢查機(jī)內(nèi)保險(xiǎn)絲是否熔斷。

（3）如果儀器長時(shí)間沒有數(shù)據(jù)上報(bào)服務(wù)器，或白天短信召測不成功，則需查詢開通了GPRS 功能的手機(jī)SIM卡是否已欠費(fèi)。

（4）每日08 時(shí)要及時(shí)打開服務(wù)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(shí)段采集的數(shù)據(jù)認(rèn)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(bào)表導(dǎo)出到Excel保存。

建議加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)與數(shù)據(jù)監(jiān)控，若自動(dòng)蒸發(fā)器出現(xiàn)故障或出現(xiàn)長時(shí)段明顯數(shù)據(jù)異常時(shí)，應(yīng)恢復(fù)E601 型人工蒸發(fā)器觀測校測，以確保資料完整性、準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

大湟江口水文站TEZ-601 全自動(dòng)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(jié)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(guān)規(guī)范允許誤差范圍要求，可以正式使用TEZ-601 全自動(dòng)水面遙測蒸發(fā)站進(jìn)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(dòng)水面遙測蒸發(fā)站為近些年逐步興起的自動(dòng)化新技術(shù)，要加強(qiáng)儀器設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)和數(shù)據(jù)監(jiān)控，若自動(dòng)蒸發(fā)器出現(xiàn)故障或出現(xiàn)長時(shí)段明顯數(shù)據(jù)異常時(shí)，應(yīng)恢復(fù)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(zhǔn)確性。