TEZ-601全自动水面遥测蒸发站应用比测分析

欧 健

（贵港水文中心，广西 贵港 537100）

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。为提高水文监测自动化水平，减轻测站人员工作强度，2019年3月，贵港水文中心引进TEZ-601 全自动水面遥测蒸发站在大湟江口水文站安装投入试运行。试运行以来，仪器运行正常。为了更好地研究和推广自动蒸发观测技术的应用，现采用大湟江口水文站2019 年9 月～2020 年9 月TEZ-601 自动监测蒸发量、E601B 型人工观测蒸发量的资料数据进行对比分析，校验自动监测系统性能情况，及其监测成果与传统人工观测的蒸发量成果差异情况，证实以自动监测系统取代传统人工观测方法的可行性，进而实现蒸发监测自动化与智能化。

1 TEZ-601 全自动水面遥测蒸发站概述

1.1 测量原理及安装

TEZ-601 全自动水面遥测蒸发站采用称重法测量技术。称重系统用于称量蒸发器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，当蒸发器或雨量桶被电动推杆带动放置在蒸发秤盘上时，蒸发器和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。

考虑到蒸发器内水量可能存在过多或过少的情况，蒸发器设置有排补水系统。基于自动控制系统原理，在采集到蒸发器内水量信息后，信息被发送至后台控制系统，后台控制系统根据设定的蒸发器最大、最小盛水量阈值，判断是否需要对蒸发器进行排补水，若需要，则控制排补水系统工作，执行具体的排补水操作。同时，将称重后的排补水量信息发送至后台数据处理系统，用于蒸发量的计算，确保后期蒸发量计算结果精确。

雨量桶安装在蒸发桶的右侧，距蒸发桶约1.2 m。蒸发桶和雨量桶高出地面约70 cm，通过混凝土固定在地面上，混凝土地面上再铺设10 cm的草坪。蒸发桶、雨量桶和遥测终端的数据通讯线穿管埋设在土中。安装示意图见图1。

1.2 技术特点

TEZ-601 全自动水面遥测蒸发站依据传统E601B 蒸发器基础上通过连通器的原理，采用称重法实现对蒸发量的测量。遥测蒸发系统包括蒸发器和雨量计（其设备分别集成安装在蒸发箱和雨量箱内）、能自动排水和补水的遥测蒸发传感器。蒸发传感器利用称重法原理，通过称量蒸发器内水的多少，给蒸发器自动排水和补水。

1.3 仪器蒸发量计算方法

（1）称重蒸发仪与E601B蒸发器之间通过一根直径30 mm管路连通，使两边水面高度始终保持一致。在称重蒸发仪这边有一个长150 mm宽150 mm高200 mm 的小型水箱，该水箱完全放置在一个精密天平上，水箱上部有一个Φ3 mm 透气小孔（用于平衡大气压力）。水箱底部有一个进出水接头，该接头通过医用乳胶管与外部E601B 蒸发器连通。当E601B蒸发器水位变化时，蒸发仪水箱内部的水位通过连通管道会和E601B 蒸发器之间水位始终保持一致，这时天平会读出蒸发仪水箱的水位变化质量，通过水的体积和密度关系可以计算出水位变化高度，从而得出E601B蒸发器水位变化高度。

（2）自动补水溢流装置。该系统配备了一个60 L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E601B 蒸发器内水面上升到“上警戒高度（软件设置）”时，溢流泵开始启动，将E601B 蒸发器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E601B蒸发器内水面下降到“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E601B蒸发器中，直至水位达到预设高度（软件设置）。

为了保证蒸发站的配套使用，称重蒸发仪配备了称重式雨量计。其蒸发量E＝P－∑h取－∑h溢＋∑h加＋（h1－h2），式中：E为日蒸发量，mm；P为日降水量，mm；∑h取，∑h加分别为前一日08时至当日08时各次取出水量之和及加入水量之和，mm；∑h溢为前一日08 时至当日08 时各次溢流水量之和，mm；h1，h2分别为上次（前一日）和本次（当日）的蒸发器水面高度，mm。

2 对比观测与分析

2.1 比测方法

蒸发器沿用E601B 型蒸发器，称重蒸发仪与E601B 蒸发器之间通过连通管道连通，当E601B 蒸发器水位变化时，蒸发仪水箱内部的水位通过连通管道会和E601B蒸发器之间水位始终保持一致，经自动测报系统计算处理后得出蒸发量，简称“自动蒸发量”。人工观测蒸发量扔按原方法进行观测。

2.2 月蒸发量误差分析

采用2019 年9 月～2020 年9 月总共13 个月的人工观测月蒸发量与自动观测月蒸发量进行分析，两者蒸发总量虽然有40.9 mm 的误差，但只有2 个月的蒸发量误差在±5.0 mm 以上，其余11个月的蒸发量误差都小于±5.0 mm。从月蒸发量数据的对比分析来看，TEZ-601全自动水面遥测蒸发系统自动观测的蒸发量与人工观测的蒸发量误差较小，误差统计表见表1。

表1 大湟江口水文站人工观测与自动观测月蒸发量误差统计

2.3 日蒸发量误差分析

采用2019年9月～2020年9月共396日人工观测日蒸发量与自动观测日蒸发量进行对比分析，结果见图1和表2。人工观测日蒸发量过程线与自动观测日蒸发量过程线基本一致，日蒸发量误差≤±0.3 mm 有277 日，占比69.9%，日蒸发量误差≤±0.6 mm 有342 日，占比86.4%，日蒸发量误差≤±1.0 mm有372 日，占比93.9%。而日蒸发量误差＞±1.0 mm只有24 日，占比6.1%。从日蒸发量数据的对比分析来看，说明两者观测的误差较小，比测成果良好，误差范围达到规范要求。全年蒸发数据关系较集中，有较好的单值对应关系。

表2 大湟江口水文站人工观测与自动观测日蒸发量误差统计

2.4 蒸发量一致率分析

2.4.1 人工观测与自动观测蒸发一致率

一致率，即对比观测时间内人工观测日蒸发量与自动观测日蒸发量误差小于等于1.0 mm的天数，占总观测天数的百分比。

式中：Y为自动与人工水面蒸发观测一致率，%；y为人工观测日蒸发量与自动观测日蒸发量误差小于1.0 mm 的天数；P总为自动与人工水面蒸发观测总有效天数。

2.4.2 人工观测与自动观测蒸发量一致率分析

统计大湟江口水文站2019 年9 月～2020 年9月人工观测日蒸发量与自动观测日蒸发量误差小于1.0 mm 的天数，计算月、月总量一致率（见表3）。从表3 可知，大湟江口水文站2019 年9 月～2020 年9月人工与自动蒸发观测值的月一致率最高为2019年10～12月和2020年2月，一致率均为100%；最低为2019年9月和2020年6月，一致率均为86.7%；达到90%以上的有11 个月，其余两个月一致率是86.7%；13个月总观测日数为396日，372日一致，一致率为93.9%，从总体上看，人工观测与自动观测蒸发量一致性较好。

表3 大湟江口水文站人工观测与自动观测蒸发一致率分析

2.5 受降水影响自动观测蒸发量的优势分析

由于降水是影响蒸发量误差的一个重要因素，故将有降水之日的蒸发量单独统计出来分析。经统计分析，从数据上看，降雨强度大，观测的蒸发量误差不一定就大，例如：2020年5月24日，人工观测降雨量47.0 mm，自动观测降雨量45.2 mm，误差-1.8 mm，而两者观测的蒸发量误差为0.3 mm；2020年5月28日，人工观测降雨量52.1 mm，自动观测降雨量48.8 mm，误差-3.3 mm，而两者观测的蒸发量误差为0.7 mm。这说明即使暴雨时期，人工监测的雨量与仪器自动监测雨量存在一定的误差，但通过仪器自动辨别和处理，能有效地控制和减轻蒸发量的误差。因为人工观测一般每日进行1 次（一般为每日08 时）观测，其把降雨和无降雨的误差都累积在一起了，特别是对间断性降雨期间的蒸发量计算，不能有效的区分开来，这样计算出的日蒸发量误差就会较大；而仪器是采用高精度液位传感器来实时监测蒸发桶内水位变化，是每天按1 h 测量分析一次，在暴雨时期优势更为突出，该仪器能把降雨和无降雨的时段区分出来，在自动测量过程中能将一些外界干扰的因素进行处理，在消除随机误差方面仪器观测是优于人工观测。

3 TEZ-601全自动水面遥测蒸发站的故障与维护

（1）注意保持太阳能电池板表面清洁，没有遮挡物。

（2）水面遥测蒸发器主机没有显示。可以先检查电源导线各连接点接触是否松动，再根据太阳能充电控制器指示灯，检查蓄电池是否已坏，如果已坏，则更换蓄电池。电池没问题则要打开仪器主机检查机内保险丝是否熔断。

（3）如果仪器长时间没有数据上报服务器，或白天短信召测不成功，则需查询开通了GPRS 功能的手机SIM卡是否已欠费。

（4）每日08 时要及时打开服务器下载昨日雨量、蒸发量数据，并分析其合理性，如果发现异常，则要从原始时段采集的数据认真分析，以便能正确处理异常数据。最好每月月初把上月的成果报表导出到Excel保存。

建议加强设备运行维护与数据监控，若自动蒸发器出现故障或出现长时段明显数据异常时，应恢复E601 型人工蒸发器观测校测，以确保资料完整性、准确性。

4 结语

大湟江口水文站TEZ-601 全自动水面遥测蒸发站，经与E601B 型水面蒸发器人工观测对比分析，监测结果与E601B型水面蒸发器人工观测相比误差较小，符合现行有关规范允许误差范围要求，可以正式使用TEZ-601 全自动水面遥测蒸发站进行观测，并将其监测数据参加水文资料整编。

TEZ-601 全自动水面遥测蒸发站为近些年逐步兴起的自动化新技术，要加强仪器设备的运行维护和数据监控，若自动蒸发器出现故障或出现长时段明显数据异常时，应恢复E601B型人工蒸发器观测校测，以便能正确处理异常数据，确保资料的完整性、准确性。