FFH100型自动蒸发系统在长清水文站的应用分析

赵钰 王正红 张艳 姚本刚

摘要：FFH100型蒸发系统主要用于非冰期蒸发测量。通过对比分析自动蒸发观测资料和人工观测资料，对系统观测误差进行统计评价。结果表明：在大雨期间蒸发受到的影响较大，无雨或小雨条件下自动蒸发系统可代替人工观测，但无法解决冰期测量要求。下一步可对冰期蒸发的自动观测做探索研究，并对应用中存在的问题提出改进建议。

关键词：FFH100型自动蒸发系统;非冰期蒸发测量;资料对比;误差分析;蒸发观测

中图法分类号：P333文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.003

文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0014 - 03

1 概 况

长清水文中心位于济南市长清区平安街道办事处潘西村农高路北首，2017年经山东省委机构编制委员会办公室批复成立，隶属于济南市水文局。该中心配备有E601蒸发器和20 cm蒸发皿，用于冰期和非冰期蒸发量的人工观测。近年来，随着信息技术的发展，水文信息化自动化程度越来越高，更多新技术新设备应用于水面蒸发测量，该中心2020年初安装使用了FFH100型自动蒸发系统，能够高精度监测雨间蒸发量，并支持无线远传和发报，主要用于非冰期的蒸发量测量。

2 自动蒸发系统结构组成及原理

蒸发量是指在一定时段内，水分经蒸发而散布到空中的量，通常用蒸发掉的水层厚度的毫米数表示，水面或土壤的水分蒸发量，分别用不同的蒸发器测定。一般温度越高、湿度越小、风速越大、气压越低，则蒸发量就越大;反之蒸发量越小。人工观测蒸发一般采用E601B型水面蒸发器，桶底中心装有1个直管，直管上端装有测针座和水面指示针，每天08：00观测[1]，将测针插入测针座，读取水面高度，根据每天水位变化与降水量计算蒸发量。

FFH100型自动蒸发系统主要由 E601B 蒸发桶、水位专用测桶、高分辨率雨量计、智能测控器和太阳能供电系统等组成（图1）。该蒸发系统具有主动溢流、自动补水功能，能自动记录每日蒸发量与降雨量数据，并支持无线远传和发报，可用于无人值守的蒸发站。

2.1 位移观测

FFH100型自动蒸发系统通过采集蒸发桶内液面位移变化来计算蒸发量。位移的采集主要通过磁致伸缩传感器读取数据信息，分辨率可达0.024 mm。传感器通过两个磁场相交产生1个应变脉冲信号，准确测量实际位移值。由于传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零，且敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可大大地提高检测的可靠性和使用寿命[3]。

2.2 自动补水、排水

测控器上设置标志线位置，作為自动补水、溢流操作的参考线。该系统通过控制标志线实现自动补水排水。每日08：00，当液位低于标志线以下10 mm时，进行补水操作，液位达到标志线后停止补水操作。每日08：00，当液位高于标志线20 mm时进行溢流操作，1 d内可实现多次溢流。

2.3 雨量观测

蒸发器配套雨量计为特制0.1 mm 分辨率自计雨量器，通过控制测控器采集雨量信息，根据蒸发量计算公式，自动求得1 d内实际蒸发量。

3 计算方法和过程

根据我国SL630-2013 《水面蒸发观测规范》的规定，此自动蒸发系统无需对溢流量与补水量进行监测[1]，所以非冰期日蒸发量应按下式计算：

E=P+（h1-h2）×1.1                     （1）

式中：E为日蒸发量，mm; P为日降水量，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。

该蒸发面积为E601B 与水位专用测桶面积之和，所以该蒸发器每蒸发1 mm 相当于标准E601B 蒸发皿的1.1 mm，液位差也要乘以 1.1倍的系数[2]。

4 资料对比分析

4.1 日观测误差分析

通过对每日观测误差进行统计，结果见表1，日误差最大为2.7 mm，出现在2020年8月。统计结果显示，比测期内误差范围小于±0.2 mm的天数占比为80.87%，误差较小，日蒸发观测绝对误差均能控制在3.0 mm以内。

4.2 旬观测误差分析

通过对旬观测误差进行统计，结果见表2，旬误差最大为7.2 mm，最大相对误差为16.51%，出现在6月中旬，其余旬蒸发观测绝对误差均能控制在3.0 mm以内。

4.3 月观测误差分析

FFH100型自动蒸发系统2020年初安装调试完成，在非冰期内对蒸发资料进行分析整理。3～8月自动蒸发观测与人工观测对比成果见表3。表3中，以人工蒸发观测值为基准，人工值减去自动蒸发值作为蒸发误差，自动蒸发观测值月总量整体偏大，月最大误差为5.0 mm，最大相对误差3.74%，其余相对误差均在4%以内[4]。

5 误差成因分析

（1）根据结果的对比分析，在当日产生自动加水、排水时日蒸发量误差变幅出现波动情况，可能是自动蒸发仪器本身误差、人工观测所用测针本身误差等造成[5]。

（2）在无雨或小雨期间，该自动蒸发系统在发生补水或溢流的当日与次日存在观测误差偏大。分析误差产生的原因为：系统设定为每天08：00，液位按照设定的补水线或溢流线进行补水或溢流操作，同时08：30要进行加测，因为产生补水或溢流后液位已发生变化，需重新对当日起点进行观测，式（1）中h1或h2会自动替换为08：30观测值，进而产生误差。

（3）在大暴雨期间，由于溢流过程中，降雨过程不断持续，损失部分降雨量，并被自动统计为蒸发量，影响蒸发量的准确计算，从而产生误差。该误差变化较大，最大误差可达2.7 mm。

6 結 论

（1）经过一段时间的对比观测，该自动蒸发系统精度可满足规范要求，由于观测时间较短，需对自动蒸发数据做进一步的长期积累，再做计算分析。

（2）在无雨或小雨期间，自动蒸发系统误差产生的主要原因是系统本身由于补水或溢流造成的观测误差。大雨期间蒸发受到影响较大，大暴雨是导致自动蒸发误差较大的主要原因，需进一步改进，如对溢流量进行收集观测，才能更好提高测验精度。

（3）FFH100型自动蒸发系统只适用于非冰期的蒸发测量，无法满足冰期测量要求，下一步可对冰期蒸发的自动观测做探索研究，实现全年的无人值守。

参考文献：

[1] SL 630-2013 水面蒸发观测规范[S].

[2] 杨溯，高然. 水面蒸发量自动监测装置液位计的选型[J]. 吉林水利，2018（7）：49-52.

[3] 梁智杰. 数字水面蒸发站在容县水文站的应用分析[J]. 广西水利水电，2020（1）：88-90，95.

[4] 柯斌樑，孙英军，胡永成. 自动蒸发观测在分水江站的应用[J]. 浙江水利科技，2019，47（3）：45-47.

[5] 刘腊梅. 蕉坑站自动与人工观测蒸发资料对比分析[J]. 甘肃水利水电技术，2018，54（11）：4-6.

（编辑：唐湘茜）

Analysis on application of FFH100 automatic evaporation system in Changqing Hydrological Station

ZHAO Yu， WANG Zhenghong， ZHANG Yan， YAO Bengang

（Jinan Hydrological Center， Jinan 250013， China）

Abstract： FFH100 evaporation system is mainly used for evaporation measurement in non-ice period. By comparing and analyzing the automatic evaporation observation data and manual observation data， the system observation error is statistically evaluated. It is concluded that under the condition of large rainfall， the observation will be influenced， while in the days with small rain and without rain， automatic evaporation system can replace the manual observation， but it cannot observe in icy day. The automatic observation in icy day should be studied in next stage. Some improvement suggestions for the problems existed in the application are out forward.

Keywords： FFH100 automatic evaporation system; evaporation measurement in non-ice period; data comparison;error analysis; evaporation measurement