自动蒸发观测在分水江站的应用

柯斌樑，孙英军，胡永成

（浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

1 问题的提出

蒸发是实现地面和空气水汽交流的重要途径，在水分收支平衡、水文、水利灌溉、农业蒸散等领域具有重要作用[1]。近年来随着科技进步，水文信息化技术快速发展，降雨量、水位、流量基本已实现自动监测，而水面蒸发量的自动观测仍是一大难题，多数处于试验阶段。现有蒸发量自动观测技术中主要存在：水面形状不固定、易变形，水面的波动极易影响测量精度，造成精度低；风速、强降水等因素引起观测值误差较大。目前浙江省水文测站进行实验的自动蒸发利用2种测量原理之一：自动采集蒸发桶水位计算水位差原理，称重式原理。以3种不同设备为代表：分水江站的磁致伸缩技术测量水位差的自动蒸发设备；青山水库站的FFZ - 01Z型蒸发站（自动采集蒸发桶水位差）；埭头站的全自动称重式蒸发系统。

分水江自动蒸发站监测历经3 a多的改进，从最初的利用连通器原理观测蒸发桶内水面高程到利用磁致伸缩传感器测量，解决水位感应迟钝、水位测井水体容易生长藻类、测井浮球容易打滑、测绳易脱落，以及连通管内水体影响桶内水温变化等问题，目前运行基本正常。

2 磁致伸缩传感器

磁致伸缩技术原理是利用2个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号，计算这个信号被探测所需的时间周期，从而换算出准确的位置。这2个磁场一个来自在传感器外面的活动磁铁，另一个则源自传感器内波导管的电流脉冲，电流脉冲是由传感器头的固有电子部件产生。当2个磁场相交时，所产生的一个应变脉冲以声音的固定速度运行回电子部件的感测线圈。从产生电流脉冲的一刻到测回应变脉冲所需要的时间周期乘以这个固定速度，便能准确的计算出位置磁铁的变动。每当活动磁铁被带动时，新的位置很快就被感测出来。由于输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号飘移或变值的情况，因此不必像其他位移传感器一样需要定期重标和维护。

3 自动蒸发器

3.1 自动蒸发器结构

自动蒸发安装示意见图1。

图1 自动蒸发安装示意图

3.2 自动蒸发器工作原理

自动蒸发测量系统以水面测量传感器、雨量计为基本观测工具，以采集器自动采集、处理、显示蒸发、降水、溢流过程信息、自动控制蒸发桶、溢流、排水过程。

运行的自动蒸发桶水位高度应保持在水位标志线上。无降水日时，采集器自动采集蒸发桶内水面高度变化计算蒸发量。每当蒸发桶内水面高度降至约定值（水位标志线以下10 mm）时，采集器在观测日分界时刻后8:03（错开数据发送等事件）控制补水泵工作，给蒸发桶、水圈自动补水，使桶中水位恢复至水位标志线高度。然后，以补水后的高度作为起测点，测量下一时段的蒸发量。

在降水日，当蒸发桶水位升高至约定值（水位标志线以上20 mm）时，采集器驱动溢流泵工作，当水位达到约定值时溢流过程结束，采集器自动采集水位高度值。为减少溢流期间降雨量的损失，一般控制在水位标志线下5 mm时，停止溢流，并且采用小时累加蒸发数值作为蒸发量。

为保证磁性浮球不被卡住，系统定时在每整点前3 min对测量筒中设备自动冲洗。

依据SL 630 — 2013《水面蒸发观测规范》[2]及国家气象局《地面气象观测规范》规定，蒸发量的计算公式为：

式中：QF为水面蒸发量，mm；Wt为测量时刻（t）的蒸发桶水位，mm；W0为起算时刻的蒸发桶水位，mm；Qj为被测时段内的降水量，mm；Qy为被测时段内的溢流量，mm。

4 整编成果对比分析

4.1 月年观测值精度分析

对2016年度分水同一E - 601B蒸发桶内蒸发资料同步观测并进行整编，月年对比结果见表1。 表1中人工观测资料采用降水量为精度0.1 mm的翻斗雨量计所观测值。从表1可以看出，2016年全年自动蒸发645.9 mm，人工蒸发650.0 mm，相对误差为0.63%。月蒸发总量最大绝对误差2.2 mm，相对误差最大为5月的3.39%。并且自动蒸发与人工观测的蒸发量误差较小，精度较高，符合观测技术要求。

表1 2016年度自动蒸发观测与人工观测资料对比成果表

4.2 日观测值误差统计

对2016年度实测蒸发量资料进行分析，每日的人工观测与自动观测的蒸发误差进行统计，结果见表2。最大日误差为1.9 mm（5月26日）。可以看出，加强管理后，自动观测蒸发与人工观测蒸发误差较小，全年80.0%天数误差范围在0.2 mm以内，全年绝对值误差均能控制在2.0 mm以下。

表2 2016年误差统计表

5 设备故障及常见误差成因分析

对自动蒸发站长期观测，总结误差原因有4种：仪器安装不规范、不水平；风力干扰误差；水体清洁度引起误差；降水影响引起的误差。目前仍难以实现真正的无人值守。本文误差分析时未考虑风的因素，参考有关文献，自动观测蒸发受风的影响很显著。

本文选取有雨及无雨2个典型日进行误差分析如下。

5.1 有降水之日蒸发观测故障原因

以有降水之日（2106年7月7日）观测为例，降水量观测过程线见图2。发生故障的蒸发观测过程线见图3。

图2 降水量观测过程线图

图3 发生故障的蒸发观测过程线图

从图2及图3可看出，此间断降水强度较大，蒸发桶内水位刚好符合自动溢流高度，溢流过程又在降雨，因此将降雨损失量自动统计为蒸发量，所以该日的蒸发量应当是3.8 mm，而不是5.3 mm。在17:55 — 18:00时，蒸发观测过程线从1.5 mm处跳到3.0 mm处，整个迹线纵高为5.3 mm，突跳高度为1.5 mm。

5.2 无降水之日蒸发观测故障原因

无降水之日发生故障的蒸发观测过程线见图4。

图4 发生故障的蒸发观测过程线图

从图4可以看出蒸发观测迹线呈明显的台阶状，分析主要原因是蒸发桶内水体不清洁，磁浮升降受到水中苔藓干扰，此时的迹线不能完全真实反映整个蒸发过程。发生这种情况，应立即组织人员对蒸发桶进行换水清洗，平时要加强巡查，保持桶内水质良好。

6 结 论

（1）从分水江站2016年全年对比观测成果来看，该仪器精度较高，可实现蒸发观测项目的自动化，提高工作效率，具有一定的推广价值。

（2）保持自动蒸发站能够正常运行，必须严格执行《蒸发量观测规范》。在建站时，选择好具有代表性的观测场地，做好基础设施建设，控制好安装误差。自动蒸发站运行时，现场管理人员做到勤巡察，保持蒸发桶内水体清洁度和仪器的完好无损，及时打捞桶内漂浮物，及时检查备用水水箱，及时更换蒸发观测用水；平台管理人员要经常上网检查，及时查看各类过程线的完整性和合理性，检查电池电压，发现异常立即查勘解决。

（3）降水对蒸发的影响较大，尤其是强降水对自动观测蒸发的影响很大。降雨大蒸发大的问题仍不能有效得到解决。目前分水江自动蒸发站对水体清洁度要求较高，尚不能实现无人值守。

（4）需要进一步解决在溢流过程中被带出的降雨量，对溢流量进行收集，便于对蒸发资料做更好分析。总之，加强管理，不断改进，才能得到较为满意的测验成果。