富陽(yáng)水文站TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)比測(cè)分析

盧志蓮

（賀州中心站富川水文中心站，廣西 富川 542700）

水面蒸發(fā)量是水文測(cè)驗(yàn)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。水面蒸發(fā)的測(cè)量在蒸發(fā)站進(jìn)行，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)中主要存在以下問題：水面形狀不固定、易變形，水面的波動(dòng)與及觀測(cè)人員目視觀測(cè)誤差極易影響測(cè)量精度，造成精度低，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)真正的無人值守。

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(cè)，而水面蒸發(fā)量的自動(dòng)觀測(cè)仍是一大難題。為加快水文現(xiàn)代建設(shè)，提高水文監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平，減輕觀測(cè)站人員工作強(qiáng)度，賀州水文中心2018年8月購(gòu)置一套TEZ-601 全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)）。

1 自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)由控制箱、稱重蒸發(fā)儀、補(bǔ)水溢流系統(tǒng)、稱重式雨量計(jì)4部分組成，其硬件模塊結(jié)構(gòu)見圖1。

（1）控制箱。控制箱的控制系統(tǒng)主機(jī)是整套系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的工作流程和邏輯處理?？刂浦鳈C(jī)直接控制蒸發(fā)和雨量的稱重變送模塊和外設(shè)開關(guān)量主控模塊，另外還負(fù)責(zé)與服務(wù)器通訊和數(shù)據(jù)交換。外設(shè)控制模塊主要負(fù)責(zé)蒸發(fā)、雨量、補(bǔ)水溢流系統(tǒng)內(nèi)部的開關(guān)量模塊控制，下發(fā)開關(guān)量指令。通訊模塊GPRS主要是與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)鹘粨Q。太陽(yáng)能與充電控制器負(fù)責(zé)對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行供電。

圖1 全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖

（2）稱重蒸發(fā)儀。稱重系統(tǒng)用于稱量蒸發(fā)皿和雨量桶內(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)皿/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)皿/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。稱重傳感器與稱重模塊將測(cè)量皿中的水重量傳送給控制系統(tǒng)主機(jī)，由控制主機(jī)通過水的體積和密度關(guān)系計(jì)算出水位變化高度，從而得出E601 水位變化高度，以及進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)匯報(bào)。升降裝置與截水閥配合測(cè)量皿一起工作，使稱重傳感器始終保持最佳狀態(tài)。

（3）補(bǔ)水溢流系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備了一個(gè)60L補(bǔ)水箱，補(bǔ)水箱上部有2臺(tái)高速自吸水泵，一臺(tái)負(fù)責(zé)補(bǔ)水，一臺(tái)負(fù)責(zé)溢流，通過主機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)E601 蒸發(fā)皿內(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E601 蒸發(fā)皿內(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)E601蒸發(fā)皿內(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E601蒸發(fā)皿中，直至水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度（軟件設(shè)置）。

（4）稱重式雨量計(jì)。為了保證蒸發(fā)的高精度測(cè)量，全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)配備了稱重式雨量計(jì)，該雨量計(jì)的精度可以達(dá)到0.01 mm，量程可達(dá)80 mm/5 min。截流閥與溢流閥是截止雨水流入與雨水自動(dòng)溢出的裝置，主要是配合雨量觀測(cè)時(shí)間與主機(jī)控制系統(tǒng)邏輯一起工作。雨量?jī)?nèi)的稱重傳感器與稱重模塊將一定時(shí)間內(nèi)的雨水重量傳送給控制系統(tǒng)主機(jī)，由控制系統(tǒng)主機(jī)來計(jì)算雨天蒸發(fā)量，同時(shí)上報(bào)雨量或進(jìn)行其他操作。

1.2 工作原理

自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)依據(jù)傳統(tǒng)E601 蒸發(fā)皿基礎(chǔ)上通過連通器的原理，結(jié)合信號(hào)放大方法，采用高精度稱重傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)量的測(cè)量，蒸發(fā)精度可達(dá)到0.01 mm，測(cè)量不受風(fēng)雨影響，觀測(cè)時(shí)間最小可達(dá)30 min。該儀器默認(rèn)的工作模式是“24 h”模式，即蒸發(fā)每隔24 h 觀測(cè)一次，每次的觀測(cè)時(shí)間為早上8：00。系統(tǒng)內(nèi)置9 種工作模式，包括8 種常規(guī)工作模式和加測(cè)模式，能夠看出一天內(nèi)的蒸發(fā)過程圖。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，中心站管理軟件可自動(dòng)生成蒸發(fā)、雨量標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表，可獨(dú)立輸出雨量、蒸發(fā)年報(bào)表。

2 對(duì)比觀測(cè)與分析

2.1 設(shè)備安裝

富陽(yáng)蒸發(fā)站位于水文站院內(nèi)，與江毗鄰，除北面一棟辦公樓外，三面空曠。觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)安裝有一套E601型蒸發(fā)器、自動(dòng)雨量計(jì)、人工雨量計(jì)、一套自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)及配套的設(shè)備。安裝布置平面圖見圖2，現(xiàn)場(chǎng)見圖3。

圖2 觀測(cè)場(chǎng)平面布置圖

圖3 自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片

2.2 對(duì)比觀測(cè)

自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)于2018年9月1日正式開始比測(cè)，采用人工觀測(cè)與自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)觀測(cè)同步進(jìn)行。2018年 9月 1日～2019年 8月 31日共 365 d 對(duì)人工觀測(cè)蒸發(fā)和自動(dòng)遙測(cè)蒸發(fā)進(jìn)行了數(shù)據(jù)比測(cè)，期間無缺測(cè)和故障，共取得比測(cè)數(shù)據(jù)365組，比測(cè)方法符合《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（SL630-2013）要求。

2.2.1 日蒸發(fā)量誤差分析

對(duì)2018年9月～2019年8月的自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)和人工觀測(cè)所監(jiān)測(cè)的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，成果見表1。自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)日蒸發(fā)量誤差[0,1.0]mm天數(shù)占觀測(cè)期百分比為92.3%，日最大誤差為2.3 mm。參證其它單位的比測(cè)成果，誤差≤±1.0 mm的百分比基本在95%左右，本站自動(dòng)監(jiān)測(cè)成果是合理的。經(jīng)過分析，誤差偏大的天數(shù)多為前后日人工觀測(cè)產(chǎn)生的誤差，誤差值可以相互抵消。

表1 2018年9月～2019年8月富陽(yáng)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)日蒸發(fā)量誤差統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 逐日蒸發(fā)量相關(guān)曲線圖

將人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的逐日蒸發(fā)量資料共365 組數(shù)據(jù)繪制相關(guān)關(guān)系圖，見圖4。從圖4 可見，人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)點(diǎn)在圖上分布密集，呈直線趨勢(shì)，建立人工蒸發(fā)量y對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)量x的回歸直線方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R為0.9115，說明兩種觀測(cè)方式取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在明確的線性關(guān)系，斜率接近1，且相關(guān)關(guān)系顯著。

圖4 富陽(yáng)站自動(dòng)與人工逐日蒸發(fā)量相關(guān)曲線圖

2.3 比測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 旬蒸發(fā)量誤差分析

對(duì)2018年9月～2019年8月的自動(dòng)與人工觀測(cè)所監(jiān)測(cè)的各旬蒸發(fā)量數(shù)據(jù)36組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表2。

表2 富陽(yáng)站自動(dòng)與人工監(jiān)測(cè)旬蒸發(fā)量比對(duì)表

時(shí) 間 蒸發(fā)量/mm自動(dòng) 人工絕對(duì)誤差/mm相對(duì)誤差/%2019年2月1 0 2019年3月2019年4月2019年5月2019年6月2019年7月2019年8月上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬22.9 5.4 7.0 10.8 17.0 23.4 21.5 14.6 21.1 16.6 31.4 25.1 23.7 28.7 28.6 28.9 25.3 56.0 37.4 47.3 51.7 21.9 5.4 5.8 8.2 12.7 20.1 16.9 12.5 19.8 15.2 30.0 23.5 23.2 29.4 27.9 29.8 24.0 60.2 38.4 50.2 55.0 1.2 2.6 4.3 3.3 4.6 2.1 1.3 1.4 1.4 1.6 0.5-0.7 0.7-0.9 1.3-4.2-1.0-2.9-3.3 4.6 0.0 20.7 31.7 33.9 16.4 27.2 16.8 6.6 9.2 4.7 6.8 2.2-2.4 2.5-3.0 5.4-7.0-2.6-5.8-6.0

自動(dòng)與人工所監(jiān)測(cè)各旬蒸發(fā)量數(shù)據(jù)相對(duì)誤差基本在10%以內(nèi)，占77.8%。相對(duì)誤差較大的2019年2月下旬～4月中旬，相對(duì)誤差在16.8%～33.9%之間。期間以陰雨為主，多回南天氣，空氣濕度大，蒸發(fā)量小，基本在20 mm以下，6個(gè)旬的蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的8.3%。在降水和高濕度天氣條件情況下，同樣存在蒸發(fā)，人工觀測(cè)每日8 時(shí)進(jìn)行觀測(cè)的情況下，無法測(cè)出降水期間的蒸發(fā)量，人工觀測(cè)存在一定的誤差，而自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備則每30 min進(jìn)行稱重測(cè)量蒸發(fā)量，可較為準(zhǔn)確測(cè)到降水期間的蒸發(fā)量。如2019年 3月 26日、27日，自動(dòng)設(shè)備分別測(cè)出 0.3 mm和0.6 mm 的蒸發(fā)量，而人工觀測(cè)的蒸發(fā)量為負(fù)數(shù)，只能當(dāng)0 處理，顯然自動(dòng)設(shè)備所測(cè)成果更為合理。基于以上原因，與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差偏大，是監(jiān)測(cè)技術(shù)上的進(jìn)步，可認(rèn)為是合理的。

2.3.2 旬蒸發(fā)量相關(guān)曲線圖

人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的各旬蒸發(fā)量資料共36組數(shù)據(jù)繪制相關(guān)關(guān)系圖（見圖5）。從圖5可知，人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)點(diǎn)在圖上分布密集，呈直線趨勢(shì)，建立人工蒸發(fā)量y對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)量x的回歸直線方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R為0.9844，說明兩種觀測(cè)方式取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在明確的線性關(guān)系，斜率接近1，且相關(guān)關(guān)系顯著。

圖5 富陽(yáng)站自動(dòng)與人工逐旬蒸發(fā)量相關(guān)曲線圖

2.4 月、年蒸發(fā)量分析

2.4.1 月蒸發(fā)量誤差分析

對(duì)2018年9月～2019年8月的自動(dòng)與人工監(jiān)測(cè)的各月蒸發(fā)量12 組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表3。從表3 看，各月相對(duì)誤差基本在7%以內(nèi)，占83%。其中2019年3月、4月的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差較大，2019年3月、4月富陽(yáng)站出現(xiàn)持續(xù)降水、回南天氣，人工觀測(cè)的蒸發(fā)量偏小，誤差較大，其余月份所占比例均在7%以內(nèi)，符合《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（SL630-2013）技術(shù)要求。

表3 富陽(yáng)站自動(dòng)與人工月蒸發(fā)量比對(duì)表

2.4.2 月蒸發(fā)量相關(guān)曲線圖

將自動(dòng)蒸發(fā)與人工蒸發(fā)月總量共12 組比對(duì)數(shù)據(jù)繪制相關(guān)曲線圖，見圖6。從圖6 可見，人工觀測(cè)與自動(dòng)觀測(cè)的相關(guān)點(diǎn)在圖上分布密集，呈直線趨勢(shì)，建立人工蒸發(fā)量y對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)量x的回歸直線方程，兩者的相關(guān)系數(shù)R為0.9883，說明兩種觀測(cè)方式取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在明確的線性關(guān)系，斜率接近1，且相關(guān)關(guān)系顯著。

圖6 富陽(yáng)站自動(dòng)與人工逐月蒸發(fā)量相關(guān)曲線圖

2.4.3 年蒸發(fā)量分析

因設(shè)備安裝時(shí)間的原因，本次比測(cè)時(shí)間是跨年度，但時(shí)間是連續(xù)的，對(duì)年蒸發(fā)量比測(cè)分析無實(shí)質(zhì)的影響。2018年9月～2019年8月人工監(jiān)測(cè)年蒸發(fā)量為923.4 mm，自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)年蒸發(fā)量945.3 mm，相對(duì)誤差為2.4%，誤差符合規(guī)范要求。

3 影響觀測(cè)結(jié)果的主要因素分析

3.1 資料收集方式、蒸發(fā)量計(jì)算方法對(duì)比

（1）自動(dòng)蒸發(fā)。自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)雨量計(jì)精度可達(dá)0.01 mm，量程達(dá)80 mm/5 min，蒸發(fā)精度0.01 mm，可每5 min收集一次數(shù)據(jù)，每日08：00統(tǒng)計(jì)上一日的蒸發(fā)量，產(chǎn)生的誤差較小。

（2）人工蒸發(fā)。人工觀測(cè)的蒸發(fā)器，于每日08：00采用測(cè)針進(jìn)行人工觀測(cè)一次，采用人工降雨量計(jì)算日蒸發(fā)量，如遇強(qiáng)降雨，則增加觀測(cè)次數(shù)。因不同人員，不同觀測(cè)位置、不同視覺等都是影響蒸發(fā)讀數(shù)的重要因素，產(chǎn)生的誤差較大。

3.2 運(yùn)行維護(hù)

3.2.1 共同點(diǎn)

（1）每月檢查觀測(cè)草坪草的高度，如草的高度超過20 cm時(shí)應(yīng)進(jìn)行修剪。

（2）每月進(jìn)行1次蒸發(fā)器換水和水圈的維護(hù)。

（3）每月初進(jìn)行上月資料的整編。

3.2.2 不同點(diǎn)

（1）自動(dòng)蒸發(fā)。①每日登陸軟件系統(tǒng)檢查降水和蒸發(fā)等數(shù)據(jù)情況，分析其合理性；②每月對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板、蓄電池、機(jī)箱、RTU、CPRS 模塊進(jìn)行檢查和維護(hù)；③每月月初可在系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，下載的成果報(bào)表可直接用于資料整編，不需人工計(jì)算；④自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，工作人員可進(jìn)行檢查和維修，如不能維修，可聯(lián)系運(yùn)維方或供應(yīng)商進(jìn)行在線指導(dǎo)維修，在資料缺失的天數(shù)，可恢復(fù)人工觀測(cè)。

（2）人工蒸發(fā)。①每日08 時(shí)需要進(jìn)行人工觀測(cè)，增加勞動(dòng)力，觀測(cè)數(shù)據(jù)也存在很大的人為誤差；②若人工觀測(cè)出現(xiàn)較大誤差時(shí)，只能進(jìn)行前后日對(duì)比更正；③每月初進(jìn)行資料整編時(shí)只能人工錄入電腦，容易出現(xiàn)錄錯(cuò)等現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上分析可以看出，全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)與人工觀測(cè)所監(jiān)測(cè)富陽(yáng)站的日、旬、月、年蒸發(fā)量的差別不明顯，相關(guān)顯著。這說明全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)理論精度較高，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)的可靠測(cè)量，滿足《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》（SL630-2013）的技術(shù)要求，該TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)可代替人工蒸發(fā)觀測(cè)應(yīng)用于富陽(yáng)站蒸發(fā)量觀測(cè)及資料整編。

自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)自啟用以來，運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)設(shè)備故障、數(shù)據(jù)中斷等現(xiàn)象。為大力推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)，提高水文監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平，解放基層人力資源，使基層水文人從每日需要職工駐守觀測(cè)的模式中解放出來，采用自動(dòng)化設(shè)備是基層水文的發(fā)展趨勢(shì)。