E601B水面自動蒸發監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

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

1 水面蒸發監測技術要求

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級蒸發器和前蘇聯的GGI-3000型蒸發器作為水面蒸發觀測的標準器。國內采用的E601B蒸發器是GGI-3000的改進型[1]。SL 630-2013《水面蒸發觀測規范》規定，E601B蒸發器為中國水面蒸發觀測的標準蒸發器。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的日蒸發量[2]。

由于自動蒸發監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，還是環境因素、水體物理特性、監測裝置結構共同作用下的綜合分辨力，顯然滿足監測要求存在較大困難。所以，自動蒸發監測成為了水文、氣象部門長期沒有解決的技術難題[3]。

2 水面蒸發觀測影響要素分析

2.1 環境因素

1)風

風是常見的自然現象，對蒸發器水位觀測影響較大。當風朝著一個方向吹時，能使蒸發器一側水位降低，另一側水位升高；風能使水面出現波浪，水面以下水體出現震蕩。針對蒸發器直接開展水位監測時，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的監測準確度。

2)降雨

在出現較大降雨時，現有蒸發器和水圈構成的蒸發監測裝置，降水的濺入、濺出量存在差異。這一差異的大小既與裝置構成有關，又與降雨強度有關。標準水面蒸發器的器口呈圓形，器口面積為3000 cm2，直徑為618 mm，高為687 mm。水圈環繞蒸發器，水圈寬度約為20 cm。在出現降雨時，假設器壁內外20 cm區域內為雨滴濺出濺入區域，那么，雨滴濺出的落區面積為2627 cm2，雨滴濺入的落區面積為5139 cm2，雨滴濺入的落區面積是濺出落區面積的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。

日降水量的監測誤差也會給日蒸發監測造成很大影響。按照規范要求，降雨量監測準確度要達到±2%～4%，對于降水觀測，這一準確度已經完全滿足要求，但對于日蒸發配套雨量監測，卻無法滿足日蒸發觀測精度要求。在蒸發設備設計時，普遍存在著一個誤區，認為雨量傳感器分辨力達到0.1 mm就能滿足蒸發觀測準確度的需要，其實不然，分辨力是基本要求，真正影響蒸發監測精度的是日降雨監測的絕對誤差。因此，為了滿足日蒸發觀測需要，降雨監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器水體溫度變化，從而引起水的物理特性發生變化，間接影響水面蒸發監測。當氣溫降到0 ℃以下時，蒸發器將出現結冰現象，人工監測和自動監測將很難實施。

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監測會造成較大影響。假設蒸發器中水體質量為180 kg，根據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器水位的影響。設某一起始時刻蒸發器中水體平均溫度為T1，水的密度為ρ1，水體質量M；結束時刻蒸發器中水體平均溫度為T2，水的密度為ρ2，蒸發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生變化，因此采用累計分時段蒸發量的方法以獲得日蒸發量，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起的“301調查”，矛頭直指中國知識產權相關問題。在其《特別“301調查”報告》中，美國認為我國沒有有效地保護知識產權（即專利權、商業秘密和著作權等）。美國部分公民依賴其知識產權獲得經濟報酬，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轉讓。

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

3 自動蒸發監測現狀與評價

隨著科技的發展，國內外學者嘗試用多種方法解決水面蒸發自動監測問題。從監測方式可分為直接監測法和間接監測法；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，《水面蒸發觀測規范》明確要求：自動蒸發監測裝置不能對蒸發器造成較大破壞，不能對蒸發器上方降水、光照、空氣流動等造成影響，因此將蒸發監測設備置于蒸發器上方，或者將蒸發裝置連通水管從蒸發器水面引出、引入等方式均不符合要求。

3.1 直接監測法

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

1)超聲波法

該方法是在蒸發器水下安裝1個固定的超聲波探頭，通過發射脈沖信號和回波接收監測蒸發器水位。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，監測精度和穩定性無法得到保證，所以在國內很少應用。

2)電測針法

該方法是在蒸發桶內設置1個測針筒，在筒內安裝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，立即發出信號，啟動補水裝置進行定量補水，根據總補水量計算時段蒸發量，但該方法受水體物理特性影響較大。①在1個水文日內，通常情況下，從08：00開始蒸發器水體升溫，夜間水體降溫，水的密度也隨之變化，根據水體密度對蒸發器水位影響的分析，這種方法監測的時段蒸發量(比如6 h)是不正確的。1 d之內由于升溫和降溫的補償作用，日蒸發量的監測誤差趨于減小，但是當相鄰兩日08：00蒸發器水體溫差較大時，無法滿足監測精度要求。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，不能滿足日蒸發監測精度要求。由于存在諸多因素影響，該方法未得到廣泛應用。

3.2 間接監測方法

間接監測方法通常是在蒸發器下部設置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，間接計算日蒸發量。或者在蒸發器下部設置1個連通管，蒸發器旁設置1個測量水桶，測量水桶放置在稱重傳感器上。間接監測方法的優點是避免了蒸發器水面波動的影響，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化為電阻變化量，再通過信號轉換器轉化為數字水位信息。通過獲取的水位信息，間接計算蒸發器的蒸發量。該方法有幾個主要影響因素：①水體的粘滯性影響。蒸發器水位有微小變化時，需要克服水體粘性阻力，才能使蒸發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置磁致位移傳感器，根據浮球或浮板上下移動監測水位的變化，間接計算蒸發量，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，監測數據存在不穩定現象。

3)稱重法

該方法是對測量水桶直接稱重，間接計算蒸發量。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 自動蒸發監測綜合分辨力的驗證

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

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

5 結束語

文章詳細分析和論述了影響蒸發觀測的因素，并對目前主要使用的幾種自動監測方法進行了評價，得到如下結論：1)現有水面蒸發自動監測方法，無論是直接監測法還是間接監測法，由于需要克服環境因素和水體物理特性以及裝置構造的影響，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，可以鑒別現有設備技術性能；3)符合技術要求的水面蒸發自動監測方法應該具備5個基本條件：①技術方法正確、結構合理；②能夠避免自然環境的影響；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穩定性要好。