富阳水文站TEZ-601全自动称重式蒸发系统比测分析

卢志莲

（贺州中心站富川水文中心站，广西 富川 542700）

水面蒸发量是水文测验中的一项重要参数。水面蒸发的测量在蒸发站进行，现有监测技术中主要存在以下问题：水面形状不固定、易变形，水面的波动与及观测人员目视观测误差极易影响测量精度，造成精度低，同时难以实现真正的无人值守。

近年来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。为加快水文现代建设，提高水文监测自动化水平，减轻观测站人员工作强度，贺州水文中心2018年8月购置一套TEZ-601 全自动称重式蒸发系统（以下简称自动蒸发系统）。

1 自动蒸发系统的组成及工作原理

1.1 系统组成

自动蒸发系统由控制箱、称重蒸发仪、补水溢流系统、称重式雨量计4部分组成，其硬件模块结构见图1。

（1）控制箱。控制箱的控制系统主机是整套系统的神经中枢，主要负责整套系统的工作流程和逻辑处理。控制主机直接控制蒸发和雨量的称重变送模块和外设开关量主控模块，另外还负责与服务器通讯和数据交换。外设控制模块主要负责蒸发、雨量、补水溢流系统内部的开关量模块控制，下发开关量指令。通讯模块GPRS主要是与服务器进行数据透传交换。太阳能与充电控制器负责对整套系统进行供电。

图1 全自动称重式蒸发系统硬件模块结构图

（2）称重蒸发仪。称重系统用于称量蒸发皿和雨量桶内水的重量，称重系统包括蒸发秤、蒸发秤座和蒸发秤盘，当蒸发皿/雨量桶被电动推杆带动放置在蒸发秤盘上时，蒸发皿/雨量桶应当不再受到电动推杆的力，使其保持自由状态下进行称重。称重传感器与称重模块将测量皿中的水重量传送给控制系统主机，由控制主机通过水的体积和密度关系计算出水位变化高度，从而得出E601 水位变化高度，以及进行下一步的数据汇报。升降装置与截水阀配合测量皿一起工作，使称重传感器始终保持最佳状态。

（3）补水溢流系统。该系统配备了一个60L补水箱，补水箱上部有2台高速自吸水泵，一台负责补水，一台负责溢流，通过主机进行自动控制。当E601 蒸发皿内水面上升到“上警戒高度（软件设置）”时，溢流泵开始启动，将E601 蒸发皿内的水抽到补水箱中，直至水位达到预设高度（软件设置）。反之，当E601蒸发皿内水面下降到“下警戒高度（软件设置）”时，补水泵开始启动，将补水箱内的水抽到E601蒸发皿中，直至水位达到预设高度（软件设置）。

（4）称重式雨量计。为了保证蒸发的高精度测量，全自动称重式蒸发系统配备了称重式雨量计，该雨量计的精度可以达到0.01 mm，量程可达80 mm/5 min。截流阀与溢流阀是截止雨水流入与雨水自动溢出的装置，主要是配合雨量观测时间与主机控制系统逻辑一起工作。雨量内的称重传感器与称重模块将一定时间内的雨水重量传送给控制系统主机，由控制系统主机来计算雨天蒸发量，同时上报雨量或进行其他操作。

1.2 工作原理

自动蒸发系统依据传统E601 蒸发皿基础上通过连通器的原理，结合信号放大方法，采用高精度称重传感器实现对蒸发量的测量，蒸发精度可达到0.01 mm，测量不受风雨影响，观测时间最小可达30 min。该仪器默认的工作模式是“24 h”模式，即蒸发每隔24 h 观测一次，每次的观测时间为早上8：00。系统内置9 种工作模式，包括8 种常规工作模式和加测模式，能够看出一天内的蒸发过程图。根据测量数据，中心站管理软件可自动生成蒸发、雨量标准报表，可独立输出雨量、蒸发年报表。

2 对比观测与分析

2.1 设备安装

富阳蒸发站位于水文站院内，与江毗邻，除北面一栋办公楼外，三面空旷。观测场内安装有一套E601型蒸发器、自动雨量计、人工雨量计、一套自动蒸发系统及配套的设备。安装布置平面图见图2，现场见图3。

图2 观测场平面布置图

图3 自动蒸发系统现场照片

2.2 对比观测

自动蒸发系统于2018年9月1日正式开始比测，采用人工观测与自动蒸发系统观测同步进行。2018年 9月 1日～2019年 8月 31日共 365 d 对人工观测蒸发和自动遥测蒸发进行了数据比测，期间无缺测和故障，共取得比测数据365组，比测方法符合《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）要求。

2.2.1 日蒸发量误差分析

对2018年9月～2019年8月的自动蒸发系统和人工观测所监测的日蒸发量数据进行统计分析，成果见表1。自动蒸发系统日蒸发量误差[0,1.0]mm天数占观测期百分比为92.3%，日最大误差为2.3 mm。参证其它单位的比测成果，误差≤±1.0 mm的百分比基本在95%左右，本站自动监测成果是合理的。经过分析，误差偏大的天数多为前后日人工观测产生的误差，误差值可以相互抵消。

表1 2018年9月～2019年8月富阳站自动监测日蒸发量误差统计表

2.2.2 逐日蒸发量相关曲线图

将人工观测与自动观测的逐日蒸发量资料共365 组数据绘制相关关系图，见图4。从图4 可见，人工观测与自动观测的相关点在图上分布密集，呈直线趋势，建立人工蒸发量y对自动蒸发量x的回归直线方程，两者的相关系数R为0.9115，说明两种观测方式取得的监测数据存在明确的线性关系，斜率接近1，且相关关系显著。

图4 富阳站自动与人工逐日蒸发量相关曲线图

2.3 比测数据分析

2.3.1 旬蒸发量误差分析

对2018年9月～2019年8月的自动与人工观测所监测的各旬蒸发量数据36组进行统计分析，见表2。

表2 富阳站自动与人工监测旬蒸发量比对表

时 间 蒸发量/mm自动 人工绝对误差/mm相对误差/%2019年2月1 0 2019年3月2019年4月2019年5月2019年6月2019年7月2019年8月上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬22.9 5.4 7.0 10.8 17.0 23.4 21.5 14.6 21.1 16.6 31.4 25.1 23.7 28.7 28.6 28.9 25.3 56.0 37.4 47.3 51.7 21.9 5.4 5.8 8.2 12.7 20.1 16.9 12.5 19.8 15.2 30.0 23.5 23.2 29.4 27.9 29.8 24.0 60.2 38.4 50.2 55.0 1.2 2.6 4.3 3.3 4.6 2.1 1.3 1.4 1.4 1.6 0.5-0.7 0.7-0.9 1.3-4.2-1.0-2.9-3.3 4.6 0.0 20.7 31.7 33.9 16.4 27.2 16.8 6.6 9.2 4.7 6.8 2.2-2.4 2.5-3.0 5.4-7.0-2.6-5.8-6.0

自动与人工所监测各旬蒸发量数据相对误差基本在10%以内，占77.8%。相对误差较大的2019年2月下旬～4月中旬，相对误差在16.8%～33.9%之间。期间以阴雨为主，多回南天气，空气湿度大，蒸发量小，基本在20 mm以下，6个旬的蒸发量占全年蒸发量的8.3%。在降水和高湿度天气条件情况下，同样存在蒸发，人工观测每日8 时进行观测的情况下，无法测出降水期间的蒸发量，人工观测存在一定的误差，而自动观测设备则每30 min进行称重测量蒸发量，可较为准确测到降水期间的蒸发量。如2019年 3月 26日、27日，自动设备分别测出 0.3 mm和0.6 mm 的蒸发量，而人工观测的蒸发量为负数，只能当0 处理，显然自动设备所测成果更为合理。基于以上原因，与人工监测数据相比，自动监测数据相对误差偏大，是监测技术上的进步，可认为是合理的。

2.3.2 旬蒸发量相关曲线图

人工观测与自动观测的各旬蒸发量资料共36组数据绘制相关关系图（见图5）。从图5可知，人工观测与自动观测的相关点在图上分布密集，呈直线趋势，建立人工蒸发量y对自动蒸发量x的回归直线方程，两者的相关系数R为0.9844，说明两种观测方式取得的监测数据存在明确的线性关系，斜率接近1，且相关关系显著。

图5 富阳站自动与人工逐旬蒸发量相关曲线图

2.4 月、年蒸发量分析

2.4.1 月蒸发量误差分析

对2018年9月～2019年8月的自动与人工监测的各月蒸发量12 组数据进行统计分析，见表3。从表3 看，各月相对误差基本在7%以内，占83%。其中2019年3月、4月的绝对误差和相对误差较大，2019年3月、4月富阳站出现持续降水、回南天气，人工观测的蒸发量偏小，误差较大，其余月份所占比例均在7%以内，符合《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）技术要求。

表3 富阳站自动与人工月蒸发量比对表

2.4.2 月蒸发量相关曲线图

将自动蒸发与人工蒸发月总量共12 组比对数据绘制相关曲线图，见图6。从图6 可见，人工观测与自动观测的相关点在图上分布密集，呈直线趋势，建立人工蒸发量y对自动蒸发量x的回归直线方程，两者的相关系数R为0.9883，说明两种观测方式取得的监测数据存在明确的线性关系，斜率接近1，且相关关系显著。

图6 富阳站自动与人工逐月蒸发量相关曲线图

2.4.3 年蒸发量分析

因设备安装时间的原因，本次比测时间是跨年度，但时间是连续的，对年蒸发量比测分析无实质的影响。2018年9月～2019年8月人工监测年蒸发量为923.4 mm，自动蒸发系统所监测年蒸发量945.3 mm，相对误差为2.4%，误差符合规范要求。

3 影响观测结果的主要因素分析

3.1 资料收集方式、蒸发量计算方法对比

（1）自动蒸发。自动蒸发系统雨量计精度可达0.01 mm，量程达80 mm/5 min，蒸发精度0.01 mm，可每5 min收集一次数据，每日08：00统计上一日的蒸发量，产生的误差较小。

（2）人工蒸发。人工观测的蒸发器，于每日08：00采用测针进行人工观测一次，采用人工降雨量计算日蒸发量，如遇强降雨，则增加观测次数。因不同人员，不同观测位置、不同视觉等都是影响蒸发读数的重要因素，产生的误差较大。

3.2 运行维护

3.2.1 共同点

（1）每月检查观测草坪草的高度，如草的高度超过20 cm时应进行修剪。

（2）每月进行1次蒸发器换水和水圈的维护。

（3）每月初进行上月资料的整编。

3.2.2 不同点

（1）自动蒸发。①每日登陆软件系统检查降水和蒸发等数据情况，分析其合理性；②每月对自动蒸发系统的太阳能电池板、蓄电池、机箱、RTU、CPRS 模块进行检查和维护；③每月月初可在系统内导出数据进行存储，下载的成果报表可直接用于资料整编，不需人工计算；④自动蒸发系统发生故障时，工作人员可进行检查和维修，如不能维修，可联系运维方或供应商进行在线指导维修，在资料缺失的天数，可恢复人工观测。

（2）人工蒸发。①每日08 时需要进行人工观测，增加劳动力，观测数据也存在很大的人为误差；②若人工观测出现较大误差时，只能进行前后日对比更正；③每月初进行资料整编时只能人工录入电脑，容易出现录错等现象。

4 结语

从以上分析可以看出，全自动称重式蒸发系统与人工观测所监测富阳站的日、旬、月、年蒸发量的差别不明显，相关显著。这说明全自动称重式蒸发系统的测量数据理论精度较高，同时能实现蒸发的可靠测量，满足《水面蒸发观测规范》（SL630-2013）的技术要求，该TEZ-601全自动称重式蒸发系统可代替人工蒸发观测应用于富阳站蒸发量观测及资料整编。

自动蒸发系统自启用以来，运行稳定，没有出现设备故障、数据中断等现象。为大力推进水文现代化建设，提高水文监测自动化水平，解放基层人力资源，使基层水文人从每日需要职工驻守观测的模式中解放出来，采用自动化设备是基层水文的发展趋势。