后营站自动水面蒸发观测系统误差分析

（山东省济宁市水文局 济宁 272019）

1 前言

后营水文站位于南水北调东线梁济运河段河道桩号8+400 处，为南四湖流域梁济运河干流控制站，目前该站主要观测项目有降水量、水位、流量、蒸发、泥沙、水文调查、水质、冰情、墒情，观测任务较重。后营站蒸发观测设备为E601B 型蒸发器，每天8:00 定时人工观测方式，无法得到短历时蒸发量变化过程，也不能实现蒸发量的自动存储和远程传输。为推进水文测报方式改革，提升蒸发量观测的现代化水平，安装了一套MKHY·FFZ-02 型全自动数字化水面蒸发观测站系统，以实现蒸发量的自动观测、存储及远程传输，完成蒸发量的在线实时监测。

后营水文站自2019年5月起对MKHY·FFZ-02型全自动蒸发系统与E601B 水面蒸发器的日蒸发量进行比测，采用5 到11月的比测资料，得到208日的自动监测日蒸发量与人工观测日蒸发量比测成果。经比测发现，自动观测数据与人工观测数据差异较大，本次研究将对其差异进行分析研究，找出差异原因，对下一步比测工作提出合理化建议。

2 自动水面蒸发仪器概况

2.1 自动水面蒸发仪器介绍

后营水文站采用的自动蒸发仪器为MKHY·FFZ-02 型全自动数字化水面蒸发观测站系统。该仪器以E601B 蒸发器为中心，配套分辨率0.1mm 的雨量筒，液位测量、补排水系统、控制通讯系统、电源、软件系统等。与其他自动蒸发观测仪器相比，MKHY·FFZ-02 型仪器采用主动定量汲水方案，无溢流计量状态。蒸发器水位测量采用的磁致伸缩液位传感器利用磁致伸缩原理，通过测量发出的电脉冲与两个不同磁场相交产生的感应脉冲之间的时间差精确算出蒸发器内水面高度。

2.2 日蒸发量计算原理

根据《水面蒸发规范》（SL630-2013），日蒸发量按照公式（6.2.2-1）计算：

图1 自动与人工观测日蒸发量逐日对比图

图2 自动与人工观测日蒸发量观测误差直方图和正态分布图

式中，E 为日蒸发量；P 为日降水量；Σh取、Σh加为前一日8 时至当日8 时各次取出水量之和及加入水量之和；Σh溢为前一日8 时至当日8 时各次溢流水量之和；h1、h2为前一日和当日的蒸发器水面高度。[1]

由上述公式可以看出，日蒸发量误差主要取决于降水量、取水量、加水量、溢流量及蒸发器内液面高度测量的准确性。由于后营站应用的自动蒸发仪器采用主动定量汲水方案，无溢流计量状态，因此主要从降水量、取水量、加水量及蒸发器内液面高度测量等4 个方面进行误差分析。

3 蒸发量误差分析

3.1 自动蒸发观测器误差分析

3.1.1 系统误差

通过对比后营水文站5月至11月自动观测及人工观测的日蒸发量，如图1自动与人工观测日蒸发量逐日对比图和图2自动与人工观测日蒸发量观测误差直方图和正态分布图，可以看出人工蒸发观测数值整体大于自动蒸发量测数值，自动蒸发系统测量数值存在约-0.7mm 左右的系统偏差。分析其系统误差产生原因，蒸发桶与蒸发传感器通过连通管连接起来，蒸发传感器测量的水位与蒸发桶内水位应该存在换算关系。按照厂家提供的方法，将自动蒸发量乘以修正系数订正后，订正后的自动观测量与人工观测蒸发量仍存在较大差异。

3.1.2 降水误差

全自动蒸发仪器采用分辨率0.1mm 的磁致伸缩液位式雨量器，与观测场内人工雨量计、分辨率0.5mm 的翻斗式雨量计进行对比，人工观测雨量与翻斗式雨量计监测的日雨量相近，与自动蒸发仪器监测的日雨量有一定差距，以降水量＜10mm 时测量误差±0.1mm 以内，降水量≥10mm 时测量误差±0.2mm 以内为合格（见表1），5 至11月共发生48 场降水，小于10mm 的降水有37 场，其中有15场误差不超限，合格率为40.5%；大于等于10mm的降水11 场，仅有1 场误差不超限，合格率9.1%。

表1 自动观测降水量与人工观测降水量误差统计表（单位：场）

以8月6日至7日连续降水为例，人工观测雨量为146.2mm，翻斗式雨量计测量雨量为143.5mm，而自动蒸发仪器监测的雨量为153.5mm，人工观测雨量与翻斗式雨量计监测的雨量相近，与自动蒸发仪器监测的雨量有一定差距。通过绘制两个仪器监测的降水过程（见图3）可以发现，两个仪器的雨量误差主要来自于8月6日13 时至15 时、8月7日2 时至5 时两处高强度连续降水的测量上。

3.1.3 蒸发器内液面高度测量误差

除降水外，还需要分析风的因素对自动蒸发的影响。对于其他自动蒸发仪器，大风对其造成的影响主要表现在时段蒸发量的负值处理上：时段蒸发量为上次蒸发器内水面高度减去本次蒸发器内水面高度，当差值为负值时程序会自动将该时蒸发量处理为0.0mm[2]。而MKHY·FFZ-02 型自动蒸发器程序将保持负值差值，累计计入日蒸发量中，并在下一时段风停时抵消该负值影响，因此大风不会对MKHY·FFZ-02 型自动蒸发器的日蒸发量产生影响。

3.1.4 加水、汲水

自动蒸发仪器加水、汲水均在封闭的环境下进行，受外部环境影响较小[3]。除考虑外部环境外，还需要考虑蒸发器内液面高低对蒸发产生的影响。在同一环境下，蒸发器内水体越少，水体温度就越高，蒸发就越大。而自动蒸发系统的自动加、汲水功能使蒸发器内水面高度保持在一定范围内，最大程度上排除了蒸发器内液面高低对蒸发量的影响。

3.2 人工观测误差

由于不同观测人员的观测习惯、反应速度各不相同，会导致人工观测的日蒸发量出现偏差。雷电暴雨等恶劣天气也会影响人工观测的准确性。

图3 8月6日至7日磁致伸缩液位式雨量器和翻斗式雨量计监测的降水过程图

4 结论及建议

4.1 结论

（1）自动观测后营站全自动蒸发观测系统测量的日蒸发量整体偏小，存在约为-0.7mm 左右的系统偏差值，应调整参数设置，进行系统修正。

（2）全自动蒸发仪器采用的磁致伸缩液位式雨量器在测量小于10mm 的降水时合格率为40.5%，测量大于等于10mm 的降水时合格率仅为9.1%，合格率较低，降水量等外部水量测量不准确是导致蒸发量观测误差的一重要影响因素。

4.2 意见与建议

对比人工观测，全自动蒸发观测系统能够排除因观测人员不同观测习惯而产生的人为因素影响以及恶劣天气对观测质量的影响。自动蒸发系统的自动加、汲水功能使蒸发器内水面高度保持在一定范围内，最大程度上排除了蒸发器内液面高低对蒸发量的影响。经去年一年的运行，自动蒸发系统运行稳定，工况良好，极少发生设备故障。就长远来看，自动观测系统能够节省大量人力、物力，排除人为及天气等因素干扰，符合打造智慧水文的要求，其上线运行是势在必行的，需要做好仪器的对比观测及运行维护工作，选择出适合本地区的自动蒸发观测仪器。

（1）进一步加强比测工作。建议重新校核鉴定雨量器，并在下一阶段的比测中做好磁致伸缩液位式雨量器与翻斗式雨量器、人工雨量器的对比观测记录。调整系统参数设置，修正系统偏差，做好对比观测记录表，每日及时对比分析人工及自动观测蒸发量误差，对异常数据应立即查明原因并及时解决。

（2）加强对仪器运行工况的监测及运行管理维护。MKHY·FFZ-02 型全自动数字化水面蒸发观测站系统的维护包括自动蒸发设备的维护以及网上数据接收系统的维护两部分，应建立好维护日志，做好仪器设备的日常检查工作，发现仪器故障及时维修，并做好仪器的冬季防冻工作■