TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)在杜陵水文站的應(yīng)用比測分析

周書影

(廣東省水文局湛江水文分局，廣東 湛江 524037)

在水文氣象監(jiān)測中，水面蒸發(fā)量自動(dòng)觀測在國內(nèi)外仍是一道難題。水文站常用的水面蒸發(fā)觀測設(shè)備為E601型水面蒸發(fā)器，目前主要的觀測方法為人工每日8時(shí)觀測1次，結(jié)合輔助降雨觀測，計(jì)算每日水面蒸發(fā)量。近年來，隨著科技進(jìn)步與水文信息化的快速發(fā)展，新儀器設(shè)備在水文測驗(yàn)中得到試驗(yàn)與應(yīng)用，多種自動(dòng)化水面蒸發(fā)的觀測設(shè)備已推向市場，實(shí)現(xiàn)無人值守、全自動(dòng)、數(shù)字化的水面蒸發(fā)觀測方式成為可能。

1 基本情況

1.1 測站概況

杜陵水文站位于廣東省雷州市唐家鎮(zhèn)杜陵村(見圖1 )，建于1975年1月，為雷州半島臺(tái)地區(qū)小河站，為收集暴雨洪水資料，探索產(chǎn)匯流參數(shù)在本區(qū)隨下墊面變化的規(guī)律及雷州半島干旱特性設(shè)立。主要測驗(yàn)任務(wù)有水位、流量、降雨量、蒸發(fā)量觀測、地下水位觀測等。杜陵站集水面積為47.0 km2，干流長為 12 km，干流平均比降為3.16‰。

圖1 杜陵水文站位置示意

本站集雨區(qū)域多年平均降雨量為1 584 mm，但年內(nèi)分配不均，4—9月約占全年降雨量的85%，前汛期4—7月形成的暴雨是受弱冷空氣和北部灣季風(fēng)槽的影響，8—9月的暴雨主要是受熱帶氣旋的影響。因此，區(qū)域的降雨有明顯季節(jié)性。

1.2 蒸發(fā)量觀測情況

杜陵水文站于1975年1月設(shè)立陸上水面蒸發(fā)觀測場，采用80 cm蒸發(fā)器； 1980年1月使用改進(jìn)后的E601型蒸發(fā)器。

常規(guī)蒸發(fā)測驗(yàn)方法采用人工觀測，蒸發(fā)器采用E601型水面蒸發(fā)器，觀測時(shí)間為每日8：00。每日觀測通過調(diào)整測針針尖與水面恰好相接，讀取水面高度，用前1 d水面高度+降水量—測量時(shí)水面高度—溢流量，即得前1 d的蒸發(fā)量。

1.3 歷年蒸發(fā)情況[1]

通過查杜陵水文站歷年蒸發(fā)資料，得到2008—2018年共11 a年蒸發(fā)量在998.0～1 232.2 mm之間。通過對日蒸發(fā)量進(jìn)行量級統(tǒng)計(jì)可得出：杜陵水文站日蒸發(fā)量主要集中在1.0～6.0 mm之間，占92.2%，日蒸發(fā)量在0～1.0 mm之間的占5.6%，日蒸發(fā)量大于等于6.0 mm的占2.2%(見表1)。

表1 杜陵水文站2008—2018年日蒸發(fā)量級統(tǒng)計(jì) mm

2 TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)介紹[2]

2.1 系統(tǒng)組成

TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)由控制箱、稱重系統(tǒng)和補(bǔ)水溢流系統(tǒng)三部分組成。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。稱重系統(tǒng)分為稱重蒸發(fā)儀和稱重雨量計(jì)，用于稱量蒸發(fā)器和雨量桶內(nèi)水的重量。補(bǔ)水溢流系統(tǒng)主要通過主機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制補(bǔ)水和溢流。

2.2 工作原理

TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)，依據(jù)傳統(tǒng)E601蒸發(fā)器通過連通器的原理，測量皿底部與E601之間通過1根直徑30 mm醫(yī)用乳膠管路連通，測量皿為長150 mm、寬150 mm、高200 mm的小型水箱，該水箱放置在稱重傳感器上。當(dāng)E601蒸發(fā)器水位變化時(shí)，測量皿內(nèi)部的水位通過連通管道會(huì)與E601蒸發(fā)器之間水位始終保持一致，天平讀出蒸發(fā)儀水箱的水位變化質(zhì)量，通過水的體積和質(zhì)量關(guān)系，可計(jì)算水位變化高度，得出E601測量器水位變化高度，計(jì)算蒸發(fā)量。工作流程示意見圖2。

圖2 工作流程示意

2.3 技術(shù)參數(shù)

1) 采用高精度精密稱重傳感器，蒸發(fā)精度可達(dá)到0.01 mm，觀測時(shí)間最小可達(dá)30 min；

2) 基于水文規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)E601型蒸發(fā)器進(jìn)行全自動(dòng)觀測，具有自動(dòng)補(bǔ)水溢流功能；

3) 該蒸發(fā)系統(tǒng)配備精度為0.01 mm的稱重雨量計(jì)，量程可達(dá)到100 mm/5 min；

4) TEZ-601型自動(dòng)蒸發(fā)器，采用連通器原理，測量不受風(fēng)雨影響；

5) 測量時(shí)間可通過遠(yuǎn)程選擇1 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、12 h、24 h多種模式，能觀測1 d內(nèi)的蒸發(fā)過程圖；

6) 通訊中斷本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可達(dá)10 a，可以本地拷貝，通訊恢復(fù)自動(dòng)上傳服務(wù)器；

7) 系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程手動(dòng)加測功能；

8) 系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程升級功能，能支持連接所有水文通訊設(shè)備，通訊協(xié)議符合水文通訊規(guī)約。

3 比測資料分析

3.1 比測內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)[3]

蒸發(fā)量比測是指自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)量與人工觀測的蒸發(fā)量兩者之間進(jìn)行比較。

本次蒸發(fā)量比測以人工觀測的蒸發(fā)量記錄為準(zhǔn)確值，評定指標(biāo)如下。

1) 日蒸發(fā)量誤差分析：分有無降雨2種情況進(jìn)行分析，有降雨情況下的日蒸發(fā)量絕對誤差≤±1 mm的天數(shù)占比測總天數(shù)比例須不小于85%；無降雨情況下的日蒸發(fā)量絕對誤差≤±1 mm的天數(shù)占比測總天數(shù)比例須不小于90%。

2)月年蒸發(fā)量誤差分析：單月蒸發(fā)總量的相對誤差應(yīng)不超過±8%。年蒸發(fā)量相對誤差須不超過±5%。

3)儀器故障率：指比測期間蒸發(fā)自動(dòng)觀測儀器本身發(fā)生故障的天數(shù)占比測總天數(shù)比例，儀器故障率應(yīng)≤2%。

3.2 比測資料收集情況

本次比測選取2019年5月至2020年5月共13個(gè)月人工和自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步比測對比分析，其中2019年8月9日下大雨，抽水不及時(shí)，造成數(shù)據(jù)偏大，2020年1月故障1 d，2020年2月故障1 d，3 d數(shù)據(jù)僅統(tǒng)計(jì),不參與誤差分析。

3.3 資料數(shù)據(jù)對比分析[4-5]

3.3.1無降雨日蒸發(fā)量誤差分析

選取2019年5月—2020年5月(故障期不參與分析)期間，無降雨情況下逐日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)對比分析，比測期間無降雨情況天數(shù)為297 d，日蒸發(fā)量最大絕對誤差為2.2 mm，最小絕對誤差為0.0 mm；日蒸發(fā)量絕對誤差在1.0 mm范圍內(nèi)的有284 d，占總天數(shù)的95.62%(不低于90%)，大于1.0 mm的有13 d，占總天數(shù)的4.38%(見表2)。

表2 無降雨逐日蒸發(fā)量絕對誤差頻率統(tǒng)計(jì)

3.3.2有降雨日蒸發(fā)量誤差分析

比測期間，有降雨情況為96 d，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在有降雨情況下，人工蒸發(fā)和自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)據(jù)差別不大，基本吻合，日蒸發(fā)量最大絕對誤差為1.3 mm，最小絕對誤差為0.0 mm；有降雨日蒸發(fā)量絕對誤差在1.0 mm范圍內(nèi)的有94 d，占總天數(shù)的97.92%(不低于85%)，大于1.0 mm的有2 d，占總天數(shù)的2.08%(見表3)。

表3 有降雨情況逐日蒸發(fā)量絕對誤差頻率統(tǒng)計(jì)

3.3.3日蒸發(fā)量相關(guān)關(guān)系分析[6]

根據(jù)2019年5月—2020年5月蒸發(fā)量觀測數(shù)據(jù)，建立蒸發(fā)量人工觀測值與自動(dòng)觀測值相關(guān)示意(見圖3)，得相關(guān)關(guān)系：y=1.017x-0.045,R2=0.994。逐日蒸發(fā)量人工觀測值和自動(dòng)觀測值分布一致，基本重合，相關(guān)值線斜率1.017非常接近1.0，說明蒸發(fā)量人工觀測值與自動(dòng)觀測值非常接近，絕對誤差非常小。

圖3 逐日蒸發(fā)量相關(guān)示意

3.3.4月年蒸發(fā)量誤差分析

通過對2019年5月—2020年5月的月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得出月蒸發(fā)總量及誤差統(tǒng)計(jì)(表5)。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，月蒸發(fā)量最大絕對誤差2019年5月為-6.9 mm，月蒸發(fā)量最小絕對誤差2019年7月為0.1 mm；月蒸發(fā)相對誤差最大為-7.74%，最小為-0.09%；年蒸發(fā)相對誤差為-0.4%(不超過5%)。

表5 2019年5月—2020年5月月蒸發(fā)總量及誤差統(tǒng)計(jì)

3.3.5儀器故障率統(tǒng)計(jì)

本次比測共397 d，儀器故障為3 d，故障率為0.08%<2.0%。

4 結(jié)語

通過分析論證，TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)是一種集補(bǔ)水溢流、定時(shí)稱重、適時(shí)計(jì)算、及時(shí)傳輸為一體的全新系統(tǒng)，在杜陵水文站安裝應(yīng)用后，同傳統(tǒng)水面觀測的蒸發(fā)量作對比，得出日蒸發(fā)量誤差、月年蒸發(fā)量誤差和儀器故障率均能達(dá)到廣東省水文局印發(fā)的《蒸發(fā)自動(dòng)觀測儀器使用指引》的要求，具備替代人工觀測蒸發(fā)的條件，可作為蒸發(fā)量觀測的正式儀器投入使用。