TEZ-601全自动称重式蒸发系统在杜陵水文站的应用比测分析

周书影

(广东省水文局湛江水文分局，广东 湛江 524037)

在水文气象监测中，水面蒸发量自动观测在国内外仍是一道难题。水文站常用的水面蒸发观测设备为E601型水面蒸发器，目前主要的观测方法为人工每日8时观测1次，结合辅助降雨观测，计算每日水面蒸发量。近年来，随着科技进步与水文信息化的快速发展，新仪器设备在水文测验中得到试验与应用，多种自动化水面蒸发的观测设备已推向市场，实现无人值守、全自动、数字化的水面蒸发观测方式成为可能。

1 基本情况

1.1 测站概况

杜陵水文站位于广东省雷州市唐家镇杜陵村(见图1 )，建于1975年1月，为雷州半岛台地区小河站，为收集暴雨洪水资料，探索产汇流参数在本区随下垫面变化的规律及雷州半岛干旱特性设立。主要测验任务有水位、流量、降雨量、蒸发量观测、地下水位观测等。杜陵站集水面积为47.0 km2，干流长为 12 km，干流平均比降为3.16‰。

图1 杜陵水文站位置示意

本站集雨区域多年平均降雨量为1 584 mm，但年内分配不均，4—9月约占全年降雨量的85%，前汛期4—7月形成的暴雨是受弱冷空气和北部湾季风槽的影响，8—9月的暴雨主要是受热带气旋的影响。因此，区域的降雨有明显季节性。

1.2 蒸发量观测情况

杜陵水文站于1975年1月设立陆上水面蒸发观测场，采用80 cm蒸发器； 1980年1月使用改进后的E601型蒸发器。

常规蒸发测验方法采用人工观测，蒸发器采用E601型水面蒸发器，观测时间为每日8：00。每日观测通过调整测针针尖与水面恰好相接，读取水面高度，用前1 d水面高度+降水量—测量时水面高度—溢流量，即得前1 d的蒸发量。

1.3 历年蒸发情况[1]

通过查杜陵水文站历年蒸发资料，得到2008—2018年共11 a年蒸发量在998.0～1 232.2 mm之间。通过对日蒸发量进行量级统计可得出：杜陵水文站日蒸发量主要集中在1.0～6.0 mm之间，占92.2%，日蒸发量在0～1.0 mm之间的占5.6%，日蒸发量大于等于6.0 mm的占2.2%(见表1)。

表1 杜陵水文站2008—2018年日蒸发量级统计 mm

2 TEZ-601全自动称重式蒸发系统介绍[2]

2.1 系统组成

TEZ-601全自动称重式蒸发系统由控制箱、称重系统和补水溢流系统三部分组成。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。称重系统分为称重蒸发仪和称重雨量计，用于称量蒸发器和雨量桶内水的重量。补水溢流系统主要通过主机进行自动控制补水和溢流。

2.2 工作原理

TEZ-601全自动称重式蒸发系统，依据传统E601蒸发器通过连通器的原理，测量皿底部与E601之间通过1根直径30 mm医用乳胶管路连通，测量皿为长150 mm、宽150 mm、高200 mm的小型水箱，该水箱放置在称重传感器上。当E601蒸发器水位变化时，测量皿内部的水位通过连通管道会与E601蒸发器之间水位始终保持一致，天平读出蒸发仪水箱的水位变化质量，通过水的体积和质量关系，可计算水位变化高度，得出E601测量器水位变化高度，计算蒸发量。工作流程示意见图2。

图2 工作流程示意

2.3 技术参数

1) 采用高精度精密称重传感器，蒸发精度可达到0.01 mm，观测时间最小可达30 min；

2) 基于水文规范标准E601型蒸发器进行全自动观测，具有自动补水溢流功能；

3) 该蒸发系统配备精度为0.01 mm的称重雨量计，量程可达到100 mm/5 min；

4) TEZ-601型自动蒸发器，采用连通器原理，测量不受风雨影响；

5) 测量时间可通过远程选择1 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、12 h、24 h多种模式，能观测1 d内的蒸发过程图；

6) 通讯中断本地存储数据可达10 a，可以本地拷贝，通讯恢复自动上传服务器；

7) 系统具有远程手动加测功能；

8) 系统具有远程升级功能，能支持连接所有水文通讯设备，通讯协议符合水文通讯规约。

3 比测资料分析

3.1 比测内容及标准[3]

蒸发量比测是指自动蒸发系统的蒸发量与人工观测的蒸发量两者之间进行比较。

本次蒸发量比测以人工观测的蒸发量记录为准确值，评定指标如下。

1) 日蒸发量误差分析：分有无降雨2种情况进行分析，有降雨情况下的日蒸发量绝对误差≤±1 mm的天数占比测总天数比例须不小于85%；无降雨情况下的日蒸发量绝对误差≤±1 mm的天数占比测总天数比例须不小于90%。

2)月年蒸发量误差分析：单月蒸发总量的相对误差应不超过±8%。年蒸发量相对误差须不超过±5%。

3)仪器故障率：指比测期间蒸发自动观测仪器本身发生故障的天数占比测总天数比例，仪器故障率应≤2%。

3.2 比测资料收集情况

本次比测选取2019年5月至2020年5月共13个月人工和自动蒸发数据进行同步比测对比分析，其中2019年8月9日下大雨，抽水不及时，造成数据偏大，2020年1月故障1 d，2020年2月故障1 d，3 d数据仅统计,不参与误差分析。

3.3 资料数据对比分析[4-5]

3.3.1无降雨日蒸发量误差分析

选取2019年5月—2020年5月(故障期不参与分析)期间，无降雨情况下逐日蒸发量数据对比分析，比测期间无降雨情况天数为297 d，日蒸发量最大绝对误差为2.2 mm，最小绝对误差为0.0 mm；日蒸发量绝对误差在1.0 mm范围内的有284 d，占总天数的95.62%(不低于90%)，大于1.0 mm的有13 d，占总天数的4.38%(见表2)。

表2 无降雨逐日蒸发量绝对误差频率统计

3.3.2有降雨日蒸发量误差分析

比测期间，有降雨情况为96 d，经统计，在有降雨情况下，人工蒸发和自动蒸发数据差别不大，基本吻合，日蒸发量最大绝对误差为1.3 mm，最小绝对误差为0.0 mm；有降雨日蒸发量绝对误差在1.0 mm范围内的有94 d，占总天数的97.92%(不低于85%)，大于1.0 mm的有2 d，占总天数的2.08%(见表3)。

表3 有降雨情况逐日蒸发量绝对误差频率统计

3.3.3日蒸发量相关关系分析[6]

根据2019年5月—2020年5月蒸发量观测数据，建立蒸发量人工观测值与自动观测值相关示意(见图3)，得相关关系：y=1.017x-0.045,R2=0.994。逐日蒸发量人工观测值和自动观测值分布一致，基本重合，相关值线斜率1.017非常接近1.0，说明蒸发量人工观测值与自动观测值非常接近，绝对误差非常小。

图3 逐日蒸发量相关示意

3.3.4月年蒸发量误差分析

通过对2019年5月—2020年5月的月蒸发量数据进行比对，得出月蒸发总量及误差统计(表5)。由统计结果表明，月蒸发量最大绝对误差2019年5月为-6.9 mm，月蒸发量最小绝对误差2019年7月为0.1 mm；月蒸发相对误差最大为-7.74%，最小为-0.09%；年蒸发相对误差为-0.4%(不超过5%)。

表5 2019年5月—2020年5月月蒸发总量及误差统计

3.3.5仪器故障率统计

本次比测共397 d，仪器故障为3 d，故障率为0.08%<2.0%。

4 结语

通过分析论证，TEZ-601全自动称重式蒸发系统是一种集补水溢流、定时称重、适时计算、及时传输为一体的全新系统，在杜陵水文站安装应用后，同传统水面观测的蒸发量作对比，得出日蒸发量误差、月年蒸发量误差和仪器故障率均能达到广东省水文局印发的《蒸发自动观测仪器使用指引》的要求，具备替代人工观测蒸发的条件，可作为蒸发量观测的正式仪器投入使用。