自動(dòng)蒸發(fā)儀在加義（二）水文站的比測應(yīng)用

賀盼盼

（湖南省岳陽水文水資源勘測中心,湖南 岳陽 414000）

在水文要素的觀測中,水面蒸發(fā)量的觀測在實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化的進(jìn)程中是一個(gè)難題。水面蒸發(fā)量與降水量是每日8時(shí)同步觀測的,蒸發(fā)量的計(jì)算需要結(jié)合日降水量來進(jìn)行計(jì)算,兩者的人工觀測精度都是到0.1 mm。往年,在解決精度和準(zhǔn)確度問題上存在一定的技術(shù)難題,近年來,隨著科技高速進(jìn)步,水文現(xiàn)代化的發(fā)展日新月異,測驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)也與時(shí)俱進(jìn),如今,結(jié)合測站特性實(shí)現(xiàn)無人值守的全自動(dòng)數(shù)字化水文監(jiān)測已經(jīng)成為可能。

1 測站基本情況

加義（二）站位于湖南省平江縣加義鎮(zhèn)楊柳村,集水面積1567 km2,設(shè)立于1951 年2 月, 1968年1月下遷約2 km,改名為加義（二）站。該站為二類精度站,是汨羅江干流上游的重要控制站,站址以上控制流域面積1567 km2,斷面以上干流長80 km,距河口173 km,該站測驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、降水、蒸發(fā)。

圖1 加義（二）站位置示意圖

2 蒸發(fā)觀測情況

加義（二）站人工觀測水面蒸發(fā)采用的是E601 型水面蒸發(fā)器,儀器設(shè)置在氣象觀測場中。觀測場地位于汨羅江右岸,地勢較開闊,背靠山坡,觀測場四周是透視圍欄,人工草坪,水源為淡水,場地設(shè)置滿足規(guī)范要求。水面蒸發(fā)觀測時(shí)間以8 時(shí)為日分界,即每日8 時(shí)觀測一次,人工蒸發(fā)的觀測精度為0.1 mm,人工日降水量的雨量器觀測精度為0.1 mm。

后引進(jìn)了HS-LE30 型全自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng),該系統(tǒng)的水文要素值觀測精度與人工一致,安裝調(diào)試之后便投入試運(yùn)行階段。該系統(tǒng)自運(yùn)行以來,狀態(tài)穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)均正常。為確保HS-LE30 型全自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)能順利投入生產(chǎn)使用,在系統(tǒng)運(yùn)行后就立即開始了對(duì)比觀測,目前對(duì)已經(jīng)收集到2020 年5 月至2020 年10 月自動(dòng)蒸發(fā)與人工蒸發(fā)同步觀測數(shù)據(jù)開展分析,形成了分析比測報(bào)告。

3 HS-LE30型全自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)的組成和工作原理

3.1 基本情況

HS-LE30型全自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)由水面蒸發(fā)器、高精度雨量計(jì)、高精度蒸發(fā)傳感器、控制單元、遙測終端機(jī)、補(bǔ)排水裝置及配套的軟件系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)能按照《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》《降水量觀測規(guī)范》《水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》《水情信息編碼要求》等規(guī)范文件的要求,自動(dòng)測量蒸發(fā)量和降水量,并將測得數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心站服務(wù)器軟件平臺(tái),實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)及降水觀測的自動(dòng)化。

圖2 HS-LE30型全自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 工作原理

圖3 HS-LE30型全自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)工作原理示意圖

激光位移傳感器負(fù)責(zé)檢測E601 水面蒸發(fā)器的水位值,高精度稱重雨量計(jì)負(fù)責(zé)通過重量檢測降水量。控制單元用前一天8 點(diǎn)鐘的水位值減去當(dāng)天8 點(diǎn)鐘的水位值,再加上當(dāng)天8 點(diǎn)前的雨量得出前一天的蒸發(fā)量。當(dāng)發(fā)生抽排水時(shí),將抽排水前的蒸發(fā)量計(jì)算出來；抽排水后的水位更新為上一次水位基值,蒸發(fā)所用雨量清零,蒸發(fā)量等于抽排水前的蒸發(fā)量加上當(dāng)前水位減去上一次水位基值再加上新的雨量值。

加排水量的工作流程是根據(jù)設(shè)置的加排水門限參數(shù)進(jìn)行加排水。加排水門限參數(shù)包括：汲水閾值、加水閾值、停止閾值。當(dāng)激光位移傳感器檢測到水位高于汲水閾值時(shí),先計(jì)算之前蒸發(fā)量,然后開啟泵對(duì)E601 蒸發(fā)器進(jìn)行排水,排水過程中監(jiān)測水位的變化,當(dāng)水位值低于停止閾值時(shí)停止排水。排水后將蒸發(fā)所用雨量清零,排水后的水位更新為上一次水位基值。當(dāng)激光位移傳感器檢測到水位低于加水閾值時(shí),先計(jì)算之前的蒸發(fā)量,然后開啟泵對(duì)E601 蒸發(fā)器進(jìn)行加水,加水過程中監(jiān)測水位的變化,當(dāng)水位值高于停止閾值時(shí)停止加水。加水后將蒸發(fā)所用雨量清零,加水后的水位更新為上一次的水位基值。

4 比測資料分析

4.1 比測方法

比測方法主要根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》《降水量觀測規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定,每天上午8 點(diǎn)采用人工觀測蒸發(fā)器和雨量計(jì)數(shù)據(jù),同時(shí)自動(dòng)雨量蒸發(fā)系統(tǒng)采集蒸發(fā)和雨量數(shù)據(jù),將人工觀測的數(shù)據(jù)和自動(dòng)雨量蒸發(fā)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.2 計(jì)算公式

依據(jù)《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》規(guī)定,E601 型蒸發(fā)器人工觀測蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：

式中：E為日蒸發(fā)量,mm；P為日降水量,mm；∑h取,∑h加為前一日8時(shí)至當(dāng)日8時(shí)各次取出水量之和及加入水量之和,mm；∑h溢為前一日8時(shí)至當(dāng)日8時(shí)各次溢流水量之和,mm；h1,h2為上次（前一日）和本次（當(dāng)日）的蒸發(fā)器水面高度,mm。

自動(dòng)蒸發(fā)儀由于是利用激光位移傳感器負(fù)責(zé)檢測E601水面蒸發(fā)器的水位值,兩者觀測到的數(shù)據(jù)存在一定偏差,因此需要按綜合折算系數(shù)將自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測數(shù)值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)值。計(jì)算公式如下：

式中：E為標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)量,mm；E自為自動(dòng)蒸發(fā)儀測出的蒸發(fā)量,mm；K1為綜合折算系數(shù),需要同步比測確定。

K1需要通過同步比測確定,即自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測的同時(shí),人工采用E601 型蒸發(fā)器觀測,統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的各自蒸發(fā)總量,按下式計(jì)算出綜合折算系數(shù)：

自動(dòng)蒸發(fā)儀投入實(shí)際生產(chǎn),進(jìn)行同步比測,確定其K1值將其換算成標(biāo)準(zhǔn)的蒸發(fā)量。

4.3 比測數(shù)據(jù)采集

加義（二）站自動(dòng)雨量蒸發(fā)系統(tǒng)于2020 年4 月28 日完成安裝調(diào)測并投入運(yùn)行,5月1 日起開始比測。截止10 月31日共收集了加義站184條雨量,蒸發(fā)數(shù)據(jù)因儀器電壓不足及儀器故障導(dǎo)致共收集174條數(shù)據(jù)。

4.4 比測數(shù)據(jù)分析

4.5 數(shù)據(jù)系列檢查

現(xiàn)對(duì)比的數(shù)據(jù)來說除電壓低、儀器故障等特殊情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄有誤之外,并不存在數(shù)據(jù)丟失的情況。因本次對(duì)比的數(shù)據(jù)不涵蓋冬季時(shí)節(jié)的降雪融雪期間,正常情況來說由于融雪過程較長,人工觀測降雨量記錄產(chǎn)生滯后,甚至連續(xù)跨越多天,因此會(huì)導(dǎo)致降雪及融雪期間自動(dòng)蒸發(fā)數(shù)據(jù)異常。在后期的站點(diǎn)運(yùn)行中,降雪及融雪期間時(shí)期仍采用人工觀測蒸發(fā)及降雨。

4.6 數(shù)據(jù)系列合理性分析

將2020年5月至2020年10月每日自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測值（沒有經(jīng)過K1改正）與人工觀測蒸發(fā)值分別繪制趨勢圖,從圖中可以看出：

自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測值（沒有經(jīng)過K1改正）與人工蒸發(fā)觀測值變化趨勢除儀器故障外的數(shù)據(jù)基本一致,說明自動(dòng)蒸發(fā)儀數(shù)據(jù)是可靠的。

將2020年5月~10月每月人工蒸發(fā)觀測值、自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測值（沒有經(jīng)過K1改正）點(diǎn)繪對(duì)照圖見圖5。

圖5 自動(dòng)蒸發(fā)（沒有經(jīng)過K1改正）與人工觀測值月對(duì)照圖

從圖中可以看出,自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測值（沒有經(jīng)過K1改正）與人工蒸發(fā)觀測值變化趨勢一致,蒸發(fā)值月變化規(guī)律合理,說明自動(dòng)蒸發(fā)儀數(shù)據(jù)是可靠的。

5 誤差分析

從表1、表2、圖4、圖5可以看出,自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測的數(shù)據(jù)（沒有經(jīng)過K1改正）較人工觀測的蒸發(fā)數(shù)據(jù)系統(tǒng)偏小,主要原因如下：

表1 對(duì)比觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

圖4 自動(dòng)蒸發(fā)（沒有經(jīng)過K1改正）與人工觀測值日對(duì)照圖

1）自動(dòng)蒸發(fā)儀激光位移傳感器負(fù)責(zé)檢測E601水面蒸發(fā)器的水位值,加排水根據(jù)設(shè)置的加排水門限參數(shù)進(jìn)行加排水。在監(jiān)測時(shí),加排水過程中產(chǎn)生了一定的誤差。

2）人工蒸發(fā)計(jì)算采用JQR01雨量器人工觀測雨量,自動(dòng)蒸發(fā)儀蒸發(fā)計(jì)算采用稱重法雨量計(jì)自動(dòng)觀測雨量。從目前的雨量數(shù)據(jù)對(duì)比來看,兩套雨量設(shè)備的雨量記錄幾乎接近,但仍存在一定的誤差。

3）自動(dòng)蒸發(fā)儀與人工蒸發(fā)儀雖然安裝在同一氣象園中,但環(huán)境仍有一定差別,導(dǎo)致人工觀測和自動(dòng)蒸發(fā)儀蒸發(fā)量存在一定的誤差。

4）自動(dòng)蒸發(fā)儀的碼盤、編碼器,人工觀測設(shè)備如測針、量杯等也存在一定誤差,稱為計(jì)量誤差。

5）人工觀測存在估讀誤差。

上述誤差可以分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差可以通過綜合換算系數(shù)K1消除。隨機(jī)誤差只能通過改進(jìn)儀器設(shè)備精度等方式來改善。

6 系數(shù)分析

采用2020年5月至10月人工蒸發(fā)觀測總量、自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測總量（沒有經(jīng)過K1改正）按照公式4計(jì)算K1值。

7 精度評(píng)價(jià)

利用分析出的綜合折算系數(shù)K1值,對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行換算,得到自動(dòng)蒸發(fā)儀標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)量。按月份統(tǒng)計(jì)誤差見表。

從表3中可以看出,經(jīng)過K1換算后,自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測數(shù)據(jù)與人工觀測值誤差較小,滿足相關(guān)觀測要求,自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測數(shù)據(jù)可以用于水文資料整編。

表3 誤差統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

8 結(jié)語

加義（二）站HS-LE30型全自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳輸正常可靠。通過分析計(jì)算,除降雪及融雪時(shí)段外,自動(dòng)蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)通過K1系數(shù)改正后得到的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)值與人工觀測值比較,誤差滿足相關(guān)規(guī)范要求,可以投入生產(chǎn)應(yīng)用。但需定時(shí)在網(wǎng)上查看8時(shí)自動(dòng)蒸發(fā)的數(shù)據(jù),當(dāng)出現(xiàn)降雪及融雪時(shí)段、電壓低、儀器故障等現(xiàn)象導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失時(shí),立即開展人工觀測至數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。