E601B水面自動蒸發(fā)監(jiān)測方法的分析與評價

王冬至，羅清元，趙彥增

(河南省水文水資源局，鄭州 450003)

0 引言

蒸發(fā)是水文循環(huán)和水量平衡的基本要素之一，是水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)。中國濕潤地區(qū)約30%～50%、干旱地區(qū)80%～95%的年降水量被蒸發(fā)。因此，蒸發(fā)是氣象水文工作不可或缺的一項重要觀測內(nèi)容。目前，全國正在實施水文現(xiàn)代化建設(shè)規(guī)劃，全要素的水文自動化監(jiān)測勢在必行，但由于多種因素制約，目前蒸發(fā)量的監(jiān)測主要依賴于人工觀測，沒有較為可靠的自動監(jiān)測方法，不能自動采集、處理、共享以及自動整編監(jiān)測資料，與水文現(xiàn)代化的要求存在較大差距，文章試圖分析研究自動監(jiān)測存在的瓶頸，為研究、探索新的方法提供借鑒。

1 水面蒸發(fā)監(jiān)測技術(shù)要求

1973年世界氣象組織儀器和觀測方法委員會推薦使用美國A級蒸發(fā)器和前蘇聯(lián)的GGI-3000型蒸發(fā)器作為水面蒸發(fā)觀測的標準器。國內(nèi)采用的E601B蒸發(fā)器是GGI-3000的改進型[1]。SL 630-2013《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》規(guī)定，E601B蒸發(fā)器為中國水面蒸發(fā)觀測的標準蒸發(fā)器。測針分辨力為0.1 mm，人工觀測時讀至0.1 mm；采用自動觀測時，蒸發(fā)觀測傳感器分辨力為0.1 mm。觀測頻次為每日08：00觀測1次，即觀測從當日08：00至次日08：00的日蒸發(fā)量[2]。

由于自動蒸發(fā)監(jiān)測的分辨力需要達到0.1 mm，精密度要求高，而且分辨力不僅是傳感器自身的分辨力，還是環(huán)境因素、水體物理特性、監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)共同作用下的綜合分辨力，顯然滿足監(jiān)測要求存在較大困難。所以，自動蒸發(fā)監(jiān)測成為了水文、氣象部門長期沒有解決的技術(shù)難題[3]。

2 水面蒸發(fā)觀測影響要素分析

2.1 環(huán)境因素

1)風

風是常見的自然現(xiàn)象，對蒸發(fā)器水位觀測影響較大。當風朝著一個方向吹時，能使蒸發(fā)器一側(cè)水位降低，另一側(cè)水位升高；風能使水面出現(xiàn)波浪，水面以下水體出現(xiàn)震蕩。針對蒸發(fā)器直接開展水位監(jiān)測時，即使傳感器自身分辨力很高，但由于風的影響會喪失0.1 mm的監(jiān)測準確度。

2)降雨

在出現(xiàn)較大降雨時，現(xiàn)有蒸發(fā)器和水圈構(gòu)成的蒸發(fā)監(jiān)測裝置，降水的濺入、濺出量存在差異。這一差異的大小既與裝置構(gòu)成有關(guān)，又與降雨強度有關(guān)。標準水面蒸發(fā)器的器口呈圓形，器口面積為3000 cm2，直徑為618 mm，高為687 mm。水圈環(huán)繞蒸發(fā)器，水圈寬度約為20 cm。在出現(xiàn)降雨時，假設(shè)器壁內(nèi)外20 cm區(qū)域內(nèi)為雨滴濺出濺入?yún)^(qū)域，那么，雨滴濺出的落區(qū)面積為2627 cm2，雨滴濺入的落區(qū)面積為5139 cm2，雨滴濺入的落區(qū)面積是濺出落區(qū)面積的1.96倍。即在固定暴雨強度條件下，濺入量是濺出量的1.96倍。

日降水量的監(jiān)測誤差也會給日蒸發(fā)監(jiān)測造成很大影響。按照規(guī)范要求，降雨量監(jiān)測準確度要達到±2%～4%，對于降水觀測，這一準確度已經(jīng)完全滿足要求，但對于日蒸發(fā)配套雨量監(jiān)測，卻無法滿足日蒸發(fā)觀測精度要求。在蒸發(fā)設(shè)備設(shè)計時，普遍存在著一個誤區(qū)，認為雨量傳感器分辨力達到0.1 mm就能滿足蒸發(fā)觀測準確度的需要，其實不然，分辨力是基本要求，真正影響蒸發(fā)監(jiān)測精度的是日降雨監(jiān)測的絕對誤差。因此，為了滿足日蒸發(fā)觀測需要，降雨監(jiān)測需要具備更高的準確度。

3)氣溫

氣溫的變化能夠引起蒸發(fā)器水體溫度變化，從而引起水的物理特性發(fā)生變化，間接影響水面蒸發(fā)監(jiān)測。當氣溫降到0 ℃以下時，蒸發(fā)器將出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，人工監(jiān)測和自動監(jiān)測將很難實施。

2.2 水的物理特性

1)密度

水的密度是隨著水體溫度變化而變化的[4]。水體溫度高于4 ℃時，水的密度隨著溫度的升高而減小；低于4 ℃時，水的密度隨著溫度的降低而減小。水體密度的變化對水面蒸發(fā)監(jiān)測會造成較大影響。假設(shè)蒸發(fā)器中水體質(zhì)量為180 kg，根據(jù)常壓下水體密度隨溫度變化資料，可以分析計算溫度升高對蒸發(fā)器水位的影響。設(shè)某一起始時刻蒸發(fā)器中水體平均溫度為T1，水的密度為ρ1，水體質(zhì)量M；結(jié)束時刻蒸發(fā)器中水體平均溫度為T2，水的密度為ρ2，蒸發(fā)器因溫度變化引起的水位變幅為ΔH(mm)，則

ΔH=(10M/3)[(ρ1-ρ2)/(ρ1ρ2)]

(1)

通常情況下，由于白天受太陽照射的影響，蒸發(fā)器中水體溫度升高，夜晚水體溫度降低，水體的密度也隨之發(fā)生變化，因此采用累計分時段蒸發(fā)量的方法以獲得日蒸發(fā)量，或通過電子測針定位逐步加水的方法均不可取。另外直接監(jiān)測相鄰兩日08：00水位的方法，但當水體平均溫度變化較大時，密度變化引起的誤差具有較大的不確定性。

2)水的粘滯性

且本次美國對我國發(fā)起的“301調(diào)查”，矛頭直指中國知識產(chǎn)權(quán)相關(guān)問題。在其《特別“301調(diào)查”報告》中，美國認為我國沒有有效地保護知識產(chǎn)權(quán)（即專利權(quán)、商業(yè)秘密和著作權(quán)等）。美國部分公民依賴其知識產(chǎn)權(quán)獲得經(jīng)濟報酬，美國認為我國沒有為他們提供平等的市場保護，并將其定性為強制性技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

水的粘滯性是水的重要物理特性，在水體流動時，表現(xiàn)為兩層之間的剪應(yīng)力。剪應(yīng)力大小與粘性系數(shù)呈正比，與剪應(yīng)力垂向的流速梯度呈正比。而粘性系數(shù)與水體溫度相關(guān)，溫度越高，粘性系數(shù)越小，溫度越低，粘性系數(shù)越大。因此在采用蒸發(fā)器連通器裝置間接監(jiān)測蒸發(fā)器水位時，首先要考慮避免水的粘滯性影響。

3 自動蒸發(fā)監(jiān)測現(xiàn)狀與評價

隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)外學者嘗試用多種方法解決水面蒸發(fā)自動監(jiān)測問題。從監(jiān)測方式可分為直接監(jiān)測法和間接監(jiān)測法；從使用的傳感器分類，主要有電測針法、浮子水位計法、超聲波(聲納)法、磁浮法和虹吸稱重法等。需要指出的是，《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》明確要求：自動蒸發(fā)監(jiān)測裝置不能對蒸發(fā)器造成較大破壞，不能對蒸發(fā)器上方降水、光照、空氣流動等造成影響，因此將蒸發(fā)監(jiān)測設(shè)備置于蒸發(fā)器上方，或者將蒸發(fā)裝置連通水管從蒸發(fā)器水面引出、引入等方式均不符合要求。

3.1 直接監(jiān)測法

直接監(jiān)測法是通過傳感器直接監(jiān)測蒸發(fā)器的水位，分析計算蒸發(fā)量，常用的有電測針法和超聲波法。

1)超聲波法

該方法是在蒸發(fā)器水下安裝1個固定的超聲波探頭，通過發(fā)射脈沖信號和回波接收監(jiān)測蒸發(fā)器水位。該方法受水體物理特性變化、水面波動及溫度漂移影響較大，監(jiān)測精度和穩(wěn)定性無法得到保證，所以在國內(nèi)很少應(yīng)用。

2)電測針法

該方法是在蒸發(fā)桶內(nèi)設(shè)置1個測針筒，在筒內(nèi)安裝1個定位測針，使針頭正好觸及基準液面。當針頭離開液面時，立即發(fā)出信號，啟動補水裝置進行定量補水，根據(jù)總補水量計算時段蒸發(fā)量，但該方法受水體物理特性影響較大。①在1個水文日內(nèi)，通常情況下，從08：00開始蒸發(fā)器水體升溫，夜間水體降溫，水的密度也隨之變化，根據(jù)水體密度對蒸發(fā)器水位影響的分析，這種方法監(jiān)測的時段蒸發(fā)量(比如6 h)是不正確的。1 d之內(nèi)由于升溫和降溫的補償作用，日蒸發(fā)量的監(jiān)測誤差趨于減小，但是當相鄰兩日08：00蒸發(fā)器水體溫差較大時，無法滿足監(jiān)測精度要求。②該方法電測針長期接觸水面，易造成信號不穩(wěn)定。③微量補水對補水裝置準確度要求高，而且微量補水(30 mL)在蒸發(fā)器中運行能量極小，敏感度差，會造成信號延遲，難于控制；采用150 mL定量補水時，分辨力為0.5 mm，不能滿足日蒸發(fā)監(jiān)測精度要求。由于存在諸多因素影響，該方法未得到廣泛應(yīng)用。

3.2 間接監(jiān)測方法

間接監(jiān)測方法通常是在蒸發(fā)器下部設(shè)置1個連通管，連通管連接1個測量水桶，通過水位傳感器測量水桶水位的變化，間接計算日蒸發(fā)量。或者在蒸發(fā)器下部設(shè)置1個連通管，蒸發(fā)器旁設(shè)置1個測量水桶，測量水桶放置在稱重傳感器上。間接監(jiān)測方法的優(yōu)點是避免了蒸發(fā)器水面波動的影響，在一定程度上避免了水體溫度變化的影響，但也帶來了新的問題[5，6]。

1)浮子水位計法

在測量水桶中安裝1個微型浮子，帶動多圈電位器，使測量桶中液位改變轉(zhuǎn)化為電阻變化量，再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字水位信息。通過獲取的水位信息，間接計算蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。該方法有幾個主要影響因素：①水體的粘滯性影響。蒸發(fā)器水位有微小變化時，需要克服水體粘性阻力，才能使蒸發(fā)器水位和測量水桶水位達到一致，該方法易造成測量水桶水位變化滯后或者無變化，形成監(jiān)測誤差。②浮子裝置的機械阻力影響。浮子升降時，導軌和桶壁之間的摩擦力易使浮子升降受阻，0.1 mm的水位變幅要克服摩擦阻力十分困難，通常情況下微型浮子的分辨力很難達到1 mm以下。

2)磁浮法

該方法是在測量水桶中設(shè)置磁致位移傳感器，根據(jù)浮球或浮板上下移動監(jiān)測水位的變化，間接計算蒸發(fā)量，浮球套裝在桿件上。該方法受水體粘滯性影響，且浮球與桿件之間的摩擦阻力大，敏感性差，分辨力很難控制在1 mm以下；由于浮球和桿件之間存在微小空間，水體壓力變化易造成浮球搖擺，通過實驗表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3)稱重法

該方法是對測量水桶直接稱重，間接計算蒸發(fā)量。稱重傳感器的準確度高，可以達到0.1 mm分辨力的要求，但是由于水體的粘滯性影響，蒸發(fā)器水位的微小變化，難以引起測量水桶水位的變化。

4 自動蒸發(fā)監(jiān)測綜合分辨力的驗證

綜合分辨力是指在實驗時段內(nèi)外部環(huán)境和水體物理特性基本保持不變條件下的分辨力。水面蒸發(fā)自動監(jiān)測，由于需要克服環(huán)境因素和水體物理特性以及裝置構(gòu)造的影響，其綜合分辨力要達到0.1 mm十分困難，針對監(jiān)測水位計算蒸發(fā)量的方法，可以通過加水實驗驗證綜合分辨力。

日蒸發(fā)量自動監(jiān)測設(shè)備的綜合分辨力可以通過定量加水進行驗證。針對已安裝蒸發(fā)裝置，可以通過改變RTU參數(shù)設(shè)置，每分鐘監(jiān)測1次水位。實驗時，采用標準容器向蒸發(fā)器加水0.1 mm(30 mL)，等待10 min，觀察RTU數(shù)據(jù)是否變化。依此方法共進行10次加水。反復多次實驗，記錄實驗結(jié)果，將多次實驗結(jié)果中分辨力的最大值作為該監(jiān)測設(shè)備的綜合分辨力，最大滯時作為該方法的滯時。

5 結(jié)束語

文章詳細分析和論述了影響蒸發(fā)觀測的因素，并對目前主要使用的幾種自動監(jiān)測方法進行了評價，得到如下結(jié)論：1)現(xiàn)有水面蒸發(fā)自動監(jiān)測方法，無論是直接監(jiān)測法還是間接監(jiān)測法，由于需要克服環(huán)境因素和水體物理特性以及裝置構(gòu)造的影響，其綜合分辨力要達到0.1 mm是十分困難的；2)文章提出了一種通過加水實驗來確定綜合分辨力的方法，具有較強的實用性和可操作性，可以鑒別現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)性能；3)符合技術(shù)要求的水面蒸發(fā)自動監(jiān)測方法應(yīng)該具備5個基本條件：①技術(shù)方法正確、結(jié)構(gòu)合理；②能夠避免自然環(huán)境的影響；③能夠避免水體物理特性的影響；④所用傳感器的分辨力要高；⑤穩(wěn)定性要好。