E601B水面自动蒸发监测方法的分析与评价

王冬至，罗清元，赵彦增

(河南省水文水资源局，郑州 450003)

0 引言

蒸发是水文循环和水量平衡的基本要素之一，是水循环过程的重要环节。中国湿润地区约30%～50%、干旱地区80%～95%的年降水量被蒸发。因此，蒸发是气象水文工作不可或缺的一项重要观测内容。目前，全国正在实施水文现代化建设规划，全要素的水文自动化监测势在必行，但由于多种因素制约，目前蒸发量的监测主要依赖于人工观测，没有较为可靠的自动监测方法，不能自动采集、处理、共享以及自动整编监测资料，与水文现代化的要求存在较大差距，文章试图分析研究自动监测存在的瓶颈，为研究、探索新的方法提供借鉴。

1 水面蒸发监测技术要求

1973年世界气象组织仪器和观测方法委员会推荐使用美国A级蒸发器和前苏联的GGI-3000型蒸发器作为水面蒸发观测的标准器。国内采用的E601B蒸发器是GGI-3000的改进型[1]。SL 630-2013《水面蒸发观测规范》规定，E601B蒸发器为中国水面蒸发观测的标准蒸发器。测针分辨力为0.1 mm，人工观测时读至0.1 mm；采用自动观测时，蒸发观测传感器分辨力为0.1 mm。观测频次为每日08：00观测1次，即观测从当日08：00至次日08：00的日蒸发量[2]。

由于自动蒸发监测的分辨力需要达到0.1 mm，精密度要求高，而且分辨力不仅是传感器自身的分辨力，还是环境因素、水体物理特性、监测装置结构共同作用下的综合分辨力，显然满足监测要求存在较大困难。所以，自动蒸发监测成为了水文、气象部门长期没有解决的技术难题[3]。

2 水面蒸发观测影响要素分析

2.1 环境因素

1)风

风是常见的自然现象，对蒸发器水位观测影响较大。当风朝着一个方向吹时，能使蒸发器一侧水位降低，另一侧水位升高；风能使水面出现波浪，水面以下水体出现震荡。针对蒸发器直接开展水位监测时，即使传感器自身分辨力很高，但由于风的影响会丧失0.1 mm的监测准确度。

2)降雨

在出现较大降雨时，现有蒸发器和水圈构成的蒸发监测装置，降水的溅入、溅出量存在差异。这一差异的大小既与装置构成有关，又与降雨强度有关。标准水面蒸发器的器口呈圆形，器口面积为3000 cm2，直径为618 mm，高为687 mm。水圈环绕蒸发器，水圈宽度约为20 cm。在出现降雨时，假设器壁内外20 cm区域内为雨滴溅出溅入区域，那么，雨滴溅出的落区面积为2627 cm2，雨滴溅入的落区面积为5139 cm2，雨滴溅入的落区面积是溅出落区面积的1.96倍。即在固定暴雨强度条件下，溅入量是溅出量的1.96倍。

日降水量的监测误差也会给日蒸发监测造成很大影响。按照规范要求，降雨量监测准确度要达到±2%～4%，对于降水观测，这一准确度已经完全满足要求，但对于日蒸发配套雨量监测，却无法满足日蒸发观测精度要求。在蒸发设备设计时，普遍存在着一个误区，认为雨量传感器分辨力达到0.1 mm就能满足蒸发观测准确度的需要，其实不然，分辨力是基本要求，真正影响蒸发监测精度的是日降雨监测的绝对误差。因此，为了满足日蒸发观测需要，降雨监测需要具备更高的准确度。

3)气温

气温的变化能够引起蒸发器水体温度变化，从而引起水的物理特性发生变化，间接影响水面蒸发监测。当气温降到0 ℃以下时，蒸发器将出现结冰现象，人工监测和自动监测将很难实施。

2.2 水的物理特性

1)密度

水的密度是随着水体温度变化而变化的[4]。水体温度高于4 ℃时，水的密度随着温度的升高而减小；低于4 ℃时，水的密度随着温度的降低而减小。水体密度的变化对水面蒸发监测会造成较大影响。假设蒸发器中水体质量为180 kg，根据常压下水体密度随温度变化资料，可以分析计算温度升高对蒸发器水位的影响。设某一起始时刻蒸发器中水体平均温度为T1，水的密度为ρ1，水体质量M；结束时刻蒸发器中水体平均温度为T2，水的密度为ρ2，蒸发器因温度变化引起的水位变幅为ΔH(mm)，则

ΔH=(10M/3)[(ρ1-ρ2)/(ρ1ρ2)]

(1)

通常情况下，由于白天受太阳照射的影响，蒸发器中水体温度升高，夜晚水体温度降低，水体的密度也随之发生变化，因此采用累计分时段蒸发量的方法以获得日蒸发量，或通过电子测针定位逐步加水的方法均不可取。另外直接监测相邻两日08：00水位的方法，但当水体平均温度变化较大时，密度变化引起的误差具有较大的不确定性。

2)水的粘滞性

且本次美国对我国发起的“301调查”，矛头直指中国知识产权相关问题。在其《特别“301调查”报告》中，美国认为我国没有有效地保护知识产权（即专利权、商业秘密和著作权等）。美国部分公民依赖其知识产权获得经济报酬，美国认为我国没有为他们提供平等的市场保护，并将其定性为强制性技术转让。

水的粘滞性是水的重要物理特性，在水体流动时，表现为两层之间的剪应力。剪应力大小与粘性系数呈正比，与剪应力垂向的流速梯度呈正比。而粘性系数与水体温度相关，温度越高，粘性系数越小，温度越低，粘性系数越大。因此在采用蒸发器连通器装置间接监测蒸发器水位时，首先要考虑避免水的粘滞性影响。

3 自动蒸发监测现状与评价

随着科技的发展，国内外学者尝试用多种方法解决水面蒸发自动监测问题。从监测方式可分为直接监测法和间接监测法；从使用的传感器分类，主要有电测针法、浮子水位计法、超声波(声纳)法、磁浮法和虹吸称重法等。需要指出的是，《水面蒸发观测规范》明确要求：自动蒸发监测装置不能对蒸发器造成较大破坏，不能对蒸发器上方降水、光照、空气流动等造成影响，因此将蒸发监测设备置于蒸发器上方，或者将蒸发装置连通水管从蒸发器水面引出、引入等方式均不符合要求。

3.1 直接监测法

直接监测法是通过传感器直接监测蒸发器的水位，分析计算蒸发量，常用的有电测针法和超声波法。

1)超声波法

该方法是在蒸发器水下安装1个固定的超声波探头，通过发射脉冲信号和回波接收监测蒸发器水位。该方法受水体物理特性变化、水面波动及温度漂移影响较大，监测精度和稳定性无法得到保证，所以在国内很少应用。

2)电测针法

该方法是在蒸发桶内设置1个测针筒，在筒内安装1个定位测针，使针头正好触及基准液面。当针头离开液面时，立即发出信号，启动补水装置进行定量补水，根据总补水量计算时段蒸发量，但该方法受水体物理特性影响较大。①在1个水文日内，通常情况下，从08：00开始蒸发器水体升温，夜间水体降温，水的密度也随之变化，根据水体密度对蒸发器水位影响的分析，这种方法监测的时段蒸发量(比如6 h)是不正确的。1 d之内由于升温和降温的补偿作用，日蒸发量的监测误差趋于减小，但是当相邻两日08：00蒸发器水体温差较大时，无法满足监测精度要求。②该方法电测针长期接触水面，易造成信号不稳定。③微量补水对补水装置准确度要求高，而且微量补水(30 mL)在蒸发器中运行能量极小，敏感度差，会造成信号延迟，难于控制；采用150 mL定量补水时，分辨力为0.5 mm，不能满足日蒸发监测精度要求。由于存在诸多因素影响，该方法未得到广泛应用。

3.2 间接监测方法

间接监测方法通常是在蒸发器下部设置1个连通管，连通管连接1个测量水桶，通过水位传感器测量水桶水位的变化，间接计算日蒸发量。或者在蒸发器下部设置1个连通管，蒸发器旁设置1个测量水桶，测量水桶放置在称重传感器上。间接监测方法的优点是避免了蒸发器水面波动的影响，在一定程度上避免了水体温度变化的影响，但也带来了新的问题[5，6]。

1)浮子水位计法

在测量水桶中安装1个微型浮子，带动多圈电位器，使测量桶中液位改变转化为电阻变化量，再通过信号转换器转化为数字水位信息。通过获取的水位信息，间接计算蒸发器的蒸发量。该方法有几个主要影响因素：①水体的粘滞性影响。蒸发器水位有微小变化时，需要克服水体粘性阻力，才能使蒸发器水位和测量水桶水位达到一致，该方法易造成测量水桶水位变化滞后或者无变化，形成监测误差。②浮子装置的机械阻力影响。浮子升降时，导轨和桶壁之间的摩擦力易使浮子升降受阻，0.1 mm的水位变幅要克服摩擦阻力十分困难，通常情况下微型浮子的分辨力很难达到1 mm以下。

2)磁浮法

该方法是在测量水桶中设置磁致位移传感器，根据浮球或浮板上下移动监测水位的变化，间接计算蒸发量，浮球套装在杆件上。该方法受水体粘滞性影响，且浮球与杆件之间的摩擦阻力大，敏感性差，分辨力很难控制在1 mm以下；由于浮球和杆件之间存在微小空间，水体压力变化易造成浮球摇摆，通过实验表明，监测数据存在不稳定现象。

3)称重法

该方法是对测量水桶直接称重，间接计算蒸发量。称重传感器的准确度高，可以达到0.1 mm分辨力的要求，但是由于水体的粘滞性影响，蒸发器水位的微小变化，难以引起测量水桶水位的变化。

4 自动蒸发监测综合分辨力的验证

综合分辨力是指在实验时段内外部环境和水体物理特性基本保持不变条件下的分辨力。水面蒸发自动监测，由于需要克服环境因素和水体物理特性以及装置构造的影响，其综合分辨力要达到0.1 mm十分困难，针对监测水位计算蒸发量的方法，可以通过加水实验验证综合分辨力。

日蒸发量自动监测设备的综合分辨力可以通过定量加水进行验证。针对已安装蒸发装置，可以通过改变RTU参数设置，每分钟监测1次水位。实验时，采用标准容器向蒸发器加水0.1 mm(30 mL)，等待10 min，观察RTU数据是否变化。依此方法共进行10次加水。反复多次实验，记录实验结果，将多次实验结果中分辨力的最大值作为该监测设备的综合分辨力，最大滞时作为该方法的滞时。

5 结束语

文章详细分析和论述了影响蒸发观测的因素，并对目前主要使用的几种自动监测方法进行了评价，得到如下结论：1)现有水面蒸发自动监测方法，无论是直接监测法还是间接监测法，由于需要克服环境因素和水体物理特性以及装置构造的影响，其综合分辨力要达到0.1 mm是十分困难的；2)文章提出了一种通过加水实验来确定综合分辨力的方法，具有较强的实用性和可操作性，可以鉴别现有设备技术性能；3)符合技术要求的水面蒸发自动监测方法应该具备5个基本条件：①技术方法正确、结构合理；②能够避免自然环境的影响；③能够避免水体物理特性的影响；④所用传感器的分辨力要高；⑤稳定性要好。