自动蒸发观测器在天长水文站应用初步分析

自动蒸发观测器在天长水文站应用初步分析

郭寿银

安徽省滁州水文水资源局安徽滁州239000

摘要：文章根据2017年6月—11月JY.FFZ-1锦源自动蒸发观测器实测资料，与既有E601人工蒸发皿资料对比，以E601人工蒸发皿资料为“真值”，分日、月均及雨天，初步分析自动蒸发器观测误差，并分析了误差产生原因，提出建议，为该站自动蒸发器替代人工监测提供依据。

关键词：天长水文站;自动蒸发观测;既有人工蒸发皿;初步分析

引言：天长水文站建于1978年，于水文安徽省白塔河天长市区。既有E601型蒸发器设立于1979年，具有长期实测蒸发资料。

自动蒸发是我国水文业务现代化发展的一个重要标志，它代表着未来水文事业的一个发展方向。天长水文站于2017年6月份安装了JY.FFZ-1锦源自动蒸发观测器一台。通过该站近半年运行观测表明，采用自动遥观测蒸发仪器不仅可以节省大量的人力物力，减轻劳动强度，还可以加快数据的采集，提高蒸发资料观测的准确性，为更好地开展水文服务提供可靠、快捷的信息来源。

1资料来源

JY.FFZ-1锦源自动蒸发观测器于2017年6月11日设立启用，监测资料系列为2017年6月11日-11月30日。E601型蒸发器，每日早8时进行人工观测，与自动蒸发器同步对比观测。人工蒸发监测无故障、无缺漏测现象，资料完整可靠。人工蒸发，自动蒸发的观测均符合规范要求。以天长水文站人工观测和遥测自动采集的蒸发数据为依据，初步分析两者之间的差值。

蒸发量单位以mm表示，人工观测记载至0.1mm，JY.FFZ-1锦源自动蒸发观测器，自动观测记载至0.01mm。

2蒸发监测情况

2.1监测场地

天长水文站蒸发观测场地位于水文站院墙内西南角，规格为12m×12m的标准观测场。场地平整、清洁，雨天不会产生积水，四周空旷平坦，气流畅通，附近无丘岗、建筑物、树木等障碍物。场地内种植草坪，高度5-10cm。四周设有高度为1.2m的围栅，场内铺设了一条0.5m的观测小路。场地内设有人工雨量计一个，SL3-1翻斗式遥测雨量计一个，E601人工蒸发皿一个，JY.FFZ-1锦源自动蒸发观测器一台。相互之间距离4.0m，符合规范要求。

2.2E601人工蒸发皿观测

测验仪器：天长站蒸发仪器为E601型蒸发皿，其组成部分有（一）蒸发桶：是一个器口面积为3000平方厘米、有圆锥底的圆柱形桶，在桶壁上开有溢流孔，孔的外侧装有溢流嘴，用胶管与溢流桶相连通，以承接因降水从蒸发桶内溢出的水量。(二)水圈：是装置在蒸发桶外围的环套，用以减少太阳辐射及溅水对蒸发的影响。(三)溢流桶：用金属或其它不吸水的材料制成。它用来承接因暴雨从蒸发桶溢出的水量。(四)测针：用于测量蒸发器内水面高度。

测验方法：每日8时进行观测。观测时先调整测针尖与水面恰好相接，然后从游标尺上读出水面高度。读数方法:通过游标尺零线所对标尺的刻度，即可读出整数;再从游尺刻度线上找出一根与标尺上某一刻度线相吻合的刻度线，游尺上这根刻度线的数字，就是小数读数。如果由于调整过度，使针尖伸入水面之下，此时必须将针尖退出水面，重新调好后始能读数。蒸发计算采用公式：蒸发量=前一日水面高度+降水量(以雨量器观测值为准)-测量时水面高度

观测后应即调整蒸发桶内的水面高度，水面如低(高)于水面指示针尖1cm时，则需加(汲)水，使水面恰与针尖齐平。每次加水或汲水后，均应用测针测量器中水面高度值，记入观测簿次日的蒸发"原量"栏，作为次日观测器内水面高度的起算点。冬季结冰期很短或偶尔结冰的地区，结冰时可停止观测，各该日蒸发量栏记""；待某日结冰融化后，测出停测以来的蒸发总量，记在该日蒸量栏内。

2.3自动观测仪器性能

系统组成：自动蒸发站由601-型蒸发桶、蒸发水位检测传感器、降雨量检测传感器、数据处理和存储控制器、蒸发桶补水装置、水圈补水装置、排水装置、电源装置、数据无线传输装置以及数据接收平台软件等组成。

主要特点：（1）自动采集蒸发、雨量、水位、风速风向、温湿度等信息；

（2）计算实时蒸发量，统计每小时累积降雨量和蒸发量；

（3）LCD显示实时数据信息和实时设备状态信息；

（4）自动存储历史蒸发数据和雨量数据及设备状态信息；

（5）自动控制蒸发桶补水、水圈补水和溢流；

（6）兼容翻斗式雨量计和数字式雨量计；

（7）RS485有线传输方式或GPRS无线传输方式；有线传输方式通过RS485总线连接到机房的PC机，GPRS无线传输方式通过RTU遥测终端进行数据传输；GPRS无线传输方式有TCP无线传输方式和SMS短信发送方式；

（8）支持U盘存储数据，存储容量足够大；上位机软件支持U盘数据导入功能，这样能够防止服务器掉电等原因导致的数据丢失。

技术指标：1、蒸发传感器精确度：0.1mm；2、雨量计精确度：0.1mm；3、补水装置：由系统自动控制补水桶对蒸发皿及补水圈进行补水；4、系统电源电压：DC12V（11V～13V）太阳能光板功率30W；12V蓄电池36Ah以上；5、工作环境温度：0℃～＋55℃；6、相对湿度：＜90％（＋25℃）；7、最大瞬时工作电流：＜2Ａ；8、LCD显示屏：4.3TFT分辨率480x272；9、大于一年的数据存储空间

功能及原理：自动蒸发器可实现实时地对时段蒸发量和日蒸发量、降雨量、溢流量的自动观测、数据存储、显示和远程无线传输，实现了自动测量水面蒸发、自动排水和补水等功能。遥测蒸发器由数据处理和存储控制器控制各个传感器对数据进行采集，包括水位采集、雨量采集和溢流量采集等。蒸发采用公式：蒸发量=水位差+降雨量-溢流量。

常见问题：

（1）蒸发桶的加水、汲水。本蒸发设备是遥测式水面蒸发设备，设备安装调试好后投入运行，运行过程中，设备会自动判断是否需要补水或排水，不需要人为也不能人为进行加水和排水；

（2）在风浪环境下使用的问题。静水管内的水面高度只与蒸发桶的水面平均高度相关，基本不受风浪影响；

（3）冰冻期的使用问题。在冰冻期应对连通管加强保温、防冻措施，使连通管保持畅通。在连通管保持畅通的情况下，可用人工破冰的办法通过读取显示器数据测定蒸发量；

（4）日蒸发量异常。装置出现泄漏，设备出现故障；

（5）水泵故障。水泵损坏不工作，更换水泵；

（6）雨量传感器堵塞。雨量传感器容易被脏东西堵塞，需要1个月左右定期清洗。

3监测值分析

3.1日蒸发值分析

2017年6月至11月，天长站每月对自动监测和人工观测的蒸发误差进行了分析对比，各系列极值对照如下表：

2017年6.11-11.30蒸发数据，遥测系列与人工系列逐日蒸发误差对比分析如图1：

从表1可以看出：最大蒸发量发生的时间是一致的，以人工观测值为参考，自动遥测值与人工观测值的绝对误差为-0.13mm，相对误差为1.9%。

从图1可以看出：人工观测的值与自动观测的值基本上是一致的，误差相对较大的都是发生在下雨天。在对比分析的156份数据中，绝对误差在0.5mm之内的有127份，占81.4%，绝对误差在0.8mm之内的有139份，占89.1%，绝对误差在1.0mm之内的有143份，占91.7%。说明JY.FFZ01型自动蒸发系统跟E601型人工观测设备所采集到的蒸发数据较为接近，可以用来替代E601型人工观测设备。

图1人工观测与自动观测误差对比分析图

3.2月平均蒸发值分析

2017年6月至11月自动观测系列与人工观测系列逐月平均蒸发分析对比见图2、表2。

从图表2、图2可以看出：人工观测与自动观测的月平均值基本一致。以人工值为“真值”，6月份的绝对误差为-0.06mm，相对误差为1.9%，7月份的绝对误差为0.23mm，相对误差为6.0%，8月份的绝对误差为0.12mm，相对误差为3.5%，9月份的绝对误差为0.06mm，相对误差为2.6%，10月份的绝对误差为0.02mm，相对误差为1.0%，10月份的绝对误差为-0.02mm，相对误差为1.1%。

3.3降雨日蒸发值分析

从原始资料可以明显的看出，下雨天对自动蒸发的影响比较大。因此，把下雨天的资料单独拿出来进行分析。

2017年6月至11月自动观测系列与人工观测系列降雨日蒸发分析对比图、表如下：

从表3、图3可以看出，降雨日的人工观测值与自动遥测值之间的差值相对较大，且二者之间不存在一定的线性关系，两者之间的误差具有随机性、无规律性。随着降雨量的增加，两者误差之间的不确定性，表现的更加明显。因此，雨天不建议采用遥测观测值。

图3下雨天人工观测与自动观测的对比分析图

4差值原因分析

观测值差原因初步分析如下。

（1）降水溅入溅出或雨量采集器计量存在误差。遇到下雨天，蒸发皿四周补水圈内的水会渐入到蒸发皿内，这样会使得测得的蒸发量偏小。或者还有可能因为雨强过大，使得蒸发皿内的水溅出来，这样会使得测得的蒸发量偏大。JY.FFZ-1型遥测蒸发器的降水量也是自动观测的，因此雨量采集器的计量误差也会导致蒸发量的计算存在误差。

（2）蒸发桶人工加（吸）水或换水产生的误差：JY.FFZ-1型遥测蒸发器是遥测式水面蒸发设备，设备安装调试好后投入运行，运行过程中，设备会自动判断是否需要补水或排水，不需要人为也不能人为进行加水和排水。在确需换水的情况下，需要将设备暂时关停，等待换水结束，重新调试设备，运行正常后，方可使用。换水过程中产生的误差会对蒸发量的计算产生误差。

（3）人工观测读数误差及其他人为因素产生的误差。人工读数的误差、计算的误差、以及不同人员观测方法的不同，都会导致观测得到的数据存在一定的差异。这就需要加强观测人员的技能培训，提高业务水平，确保观测的规范化、标准化，降低人为误差的产生。

5结语

5.1结论

（1）自动监测系列除停电和进行系统维护期间以外，数据传输正常，误差合理，数据的误差比较可靠。

（2）下雨天自动观测值与人工观测值存在的误差较大，雨天不适宜采用自动观测的值。

（3）非雨天人工观测的蒸发值与自动观测的蒸发值较为接近，可以用自动观测代替人工观测。

（4）人工观测时应严格按照规范要求来操作，否则产生的读数误差会影响二者之间的差值比较。

5.2建议

（1）加强自动观测设备的日常清理维护，确保读数的正确度与精度。

（2）雨天的蒸发观测还是以人工观测为准，自动观测值作为辅助的分析资料，不能作为存档的资料整编数据。

（3）加强测站技术人员的业务水平，保证测量标准化、规范化。

（4）系统操作显示频经常不显示数据，偶尔会出现前后两日数据叠加的现象。遇到此情况时，观测人员应将数据拆分开。

（5）人工观测蒸发以北京时间8:00为日分界，自动观测设备以7:40为日分界，建议厂家将系统升级，调试，换成与人工时间一致。

参考文献:

[1]SL630-2013.水面蒸发观测规范[S].

[2]林传真,周忠远.水文测验与查勘[M].南京:河海大学出版社，1989.

[3]黄振平.水文统计原理[M].南京:河海大学出版社,2002.

作者简介：郭寿银（1988-10），男，汉族人。助理工程师；主要从事水文测验工作。单位：安徽省滁州水文水资源局