自動蒸發(fā)觀測在分水江站的應(yīng)用

柯斌樑，孫英軍，胡永成

（浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

1 問題的提出

蒸發(fā)是實現(xiàn)地面和空氣水汽交流的重要途徑，在水分收支平衡、水文、水利灌溉、農(nóng)業(yè)蒸散等領(lǐng)域具有重要作用[1]。近年來隨著科技進(jìn)步，水文信息化技術(shù)快速發(fā)展，降雨量、水位、流量基本已實現(xiàn)自動監(jiān)測，而水面蒸發(fā)量的自動觀測仍是一大難題，多數(shù)處于試驗階段。現(xiàn)有蒸發(fā)量自動觀測技術(shù)中主要存在：水面形狀不固定、易變形，水面的波動極易影響測量精度，造成精度低；風(fēng)速、強降水等因素引起觀測值誤差較大。目前浙江省水文測站進(jìn)行實驗的自動蒸發(fā)利用2種測量原理之一：自動采集蒸發(fā)桶水位計算水位差原理，稱重式原理。以3種不同設(shè)備為代表：分水江站的磁致伸縮技術(shù)測量水位差的自動蒸發(fā)設(shè)備；青山水庫站的FFZ - 01Z型蒸發(fā)站（自動采集蒸發(fā)桶水位差）；埭頭站的全自動稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)。

分水江自動蒸發(fā)站監(jiān)測歷經(jīng)3 a多的改進(jìn)，從最初的利用連通器原理觀測蒸發(fā)桶內(nèi)水面高程到利用磁致伸縮傳感器測量，解決水位感應(yīng)遲鈍、水位測井水體容易生長藻類、測井浮球容易打滑、測繩易脫落，以及連通管內(nèi)水體影響桶內(nèi)水溫變化等問題，目前運行基本正常。

2 磁致伸縮傳感器

磁致伸縮技術(shù)原理是利用2個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，計算這個信號被探測所需的時間周期，從而換算出準(zhǔn)確的位置。這2個磁場一個來自在傳感器外面的活動磁鐵，另一個則源自傳感器內(nèi)波導(dǎo)管的電流脈沖，電流脈沖是由傳感器頭的固有電子部件產(chǎn)生。當(dāng)2個磁場相交時，所產(chǎn)生的一個應(yīng)變脈沖以聲音的固定速度運行回電子部件的感測線圈。從產(chǎn)生電流脈沖的一刻到測回應(yīng)變脈沖所需要的時間周期乘以這個固定速度，便能準(zhǔn)確的計算出位置磁鐵的變動。每當(dāng)活動磁鐵被帶動時，新的位置很快就被感測出來。由于輸出信號是一個真正的絕對位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號，所以不存在信號飄移或變值的情況，因此不必像其他位移傳感器一樣需要定期重標(biāo)和維護(hù)。

3 自動蒸發(fā)器

3.1 自動蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

自動蒸發(fā)安裝示意見圖1。

圖1 自動蒸發(fā)安裝示意圖

3.2 自動蒸發(fā)器工作原理

自動蒸發(fā)測量系統(tǒng)以水面測量傳感器、雨量計為基本觀測工具，以采集器自動采集、處理、顯示蒸發(fā)、降水、溢流過程信息、自動控制蒸發(fā)桶、溢流、排水過程。

運行的自動蒸發(fā)桶水位高度應(yīng)保持在水位標(biāo)志線上。無降水日時，采集器自動采集蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度變化計算蒸發(fā)量。每當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水面高度降至約定值（水位標(biāo)志線以下10 mm）時，采集器在觀測日分界時刻后8:03（錯開數(shù)據(jù)發(fā)送等事件）控制補水泵工作，給蒸發(fā)桶、水圈自動補水，使桶中水位恢復(fù)至水位標(biāo)志線高度。然后，以補水后的高度作為起測點，測量下一時段的蒸發(fā)量。

在降水日，當(dāng)蒸發(fā)桶水位升高至約定值（水位標(biāo)志線以上20 mm）時，采集器驅(qū)動溢流泵工作，當(dāng)水位達(dá)到約定值時溢流過程結(jié)束，采集器自動采集水位高度值。為減少溢流期間降雨量的損失，一般控制在水位標(biāo)志線下5 mm時，停止溢流，并且采用小時累加蒸發(fā)數(shù)值作為蒸發(fā)量。

為保證磁性浮球不被卡住，系統(tǒng)定時在每整點前3 min對測量筒中設(shè)備自動沖洗。

依據(jù)SL 630 — 2013《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》[2]及國家氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定，蒸發(fā)量的計算公式為：

式中：QF為水面蒸發(fā)量，mm；Wt為測量時刻（t）的蒸發(fā)桶水位，mm；W0為起算時刻的蒸發(fā)桶水位，mm；Qj為被測時段內(nèi)的降水量，mm；Qy為被測時段內(nèi)的溢流量，mm。

4 整編成果對比分析

4.1 月年觀測值精度分析

對2016年度分水同一E - 601B蒸發(fā)桶內(nèi)蒸發(fā)資料同步觀測并進(jìn)行整編，月年對比結(jié)果見表1。 表1中人工觀測資料采用降水量為精度0.1 mm的翻斗雨量計所觀測值。從表1可以看出，2016年全年自動蒸發(fā)645.9 mm，人工蒸發(fā)650.0 mm，相對誤差為0.63%。月蒸發(fā)總量最大絕對誤差2.2 mm，相對誤差最大為5月的3.39%。并且自動蒸發(fā)與人工觀測的蒸發(fā)量誤差較小，精度較高，符合觀測技術(shù)要求。

表1 2016年度自動蒸發(fā)觀測與人工觀測資料對比成果表

4.2 日觀測值誤差統(tǒng)計

對2016年度實測蒸發(fā)量資料進(jìn)行分析，每日的人工觀測與自動觀測的蒸發(fā)誤差進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。最大日誤差為1.9 mm（5月26日）?？梢钥闯?，加強管理后，自動觀測蒸發(fā)與人工觀測蒸發(fā)誤差較小，全年80.0%天數(shù)誤差范圍在0.2 mm以內(nèi)，全年絕對值誤差均能控制在2.0 mm以下。

表2 2016年誤差統(tǒng)計表

5 設(shè)備故障及常見誤差成因分析

對自動蒸發(fā)站長期觀測，總結(jié)誤差原因有4種：儀器安裝不規(guī)范、不水平；風(fēng)力干擾誤差；水體清潔度引起誤差；降水影響引起的誤差。目前仍難以實現(xiàn)真正的無人值守。本文誤差分析時未考慮風(fēng)的因素，參考有關(guān)文獻(xiàn)，自動觀測蒸發(fā)受風(fēng)的影響很顯著。

本文選取有雨及無雨2個典型日進(jìn)行誤差分析如下。

5.1 有降水之日蒸發(fā)觀測故障原因

以有降水之日（2106年7月7日）觀測為例，降水量觀測過程線見圖2。發(fā)生故障的蒸發(fā)觀測過程線見圖3。

圖2 降水量觀測過程線圖

圖3 發(fā)生故障的蒸發(fā)觀測過程線圖

從圖2及圖3可看出，此間斷降水強度較大，蒸發(fā)桶內(nèi)水位剛好符合自動溢流高度，溢流過程又在降雨，因此將降雨損失量自動統(tǒng)計為蒸發(fā)量，所以該日的蒸發(fā)量應(yīng)當(dāng)是3.8 mm，而不是5.3 mm。在17:55 — 18:00時，蒸發(fā)觀測過程線從1.5 mm處跳到3.0 mm處，整個跡線縱高為5.3 mm，突跳高度為1.5 mm。

5.2 無降水之日蒸發(fā)觀測故障原因

無降水之日發(fā)生故障的蒸發(fā)觀測過程線見圖4。

圖4 發(fā)生故障的蒸發(fā)觀測過程線圖

從圖4可以看出蒸發(fā)觀測跡線呈明顯的臺階狀，分析主要原因是蒸發(fā)桶內(nèi)水體不清潔，磁浮升降受到水中苔蘚干擾，此時的跡線不能完全真實反映整個蒸發(fā)過程。發(fā)生這種情況，應(yīng)立即組織人員對蒸發(fā)桶進(jìn)行換水清洗，平時要加強巡查，保持桶內(nèi)水質(zhì)良好。

6 結(jié) 論

（1）從分水江站2016年全年對比觀測成果來看，該儀器精度較高，可實現(xiàn)蒸發(fā)觀測項目的自動化，提高工作效率，具有一定的推廣價值。

（2）保持自動蒸發(fā)站能夠正常運行，必須嚴(yán)格執(zhí)行《蒸發(fā)量觀測規(guī)范》。在建站時，選擇好具有代表性的觀測場地，做好基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，控制好安裝誤差。自動蒸發(fā)站運行時，現(xiàn)場管理人員做到勤巡察，保持蒸發(fā)桶內(nèi)水體清潔度和儀器的完好無損，及時打撈桶內(nèi)漂浮物，及時檢查備用水水箱，及時更換蒸發(fā)觀測用水；平臺管理人員要經(jīng)常上網(wǎng)檢查，及時查看各類過程線的完整性和合理性，檢查電池電壓，發(fā)現(xiàn)異常立即查勘解決。

（3）降水對蒸發(fā)的影響較大，尤其是強降水對自動觀測蒸發(fā)的影響很大。降雨大蒸發(fā)大的問題仍不能有效得到解決。目前分水江自動蒸發(fā)站對水體清潔度要求較高，尚不能實現(xiàn)無人值守。

（4）需要進(jìn)一步解決在溢流過程中被帶出的降雨量，對溢流量進(jìn)行收集，便于對蒸發(fā)資料做更好分析?？傊?，加強管理，不斷改進(jìn)，才能得到較為滿意的測驗成果。