自动蒸发仪在加义（二）水文站的比测应用

贺盼盼

（湖南省岳阳水文水资源勘测中心,湖南 岳阳 414000）

在水文要素的观测中,水面蒸发量的观测在实现水文现代化的进程中是一个难题。水面蒸发量与降水量是每日8时同步观测的,蒸发量的计算需要结合日降水量来进行计算,两者的人工观测精度都是到0.1 mm。往年,在解决精度和准确度问题上存在一定的技术难题,近年来,随着科技高速进步,水文现代化的发展日新月异,测验设备的改进也与时俱进,如今,结合测站特性实现无人值守的全自动数字化水文监测已经成为可能。

1 测站基本情况

加义（二）站位于湖南省平江县加义镇杨柳村,集水面积1567 km2,设立于1951 年2 月, 1968年1月下迁约2 km,改名为加义（二）站。该站为二类精度站,是汨罗江干流上游的重要控制站,站址以上控制流域面积1567 km2,断面以上干流长80 km,距河口173 km,该站测验项目有水位、流量、降水、蒸发。

图1 加义（二）站位置示意图

2 蒸发观测情况

加义（二）站人工观测水面蒸发采用的是E601 型水面蒸发器,仪器设置在气象观测场中。观测场地位于汨罗江右岸,地势较开阔,背靠山坡,观测场四周是透视围栏,人工草坪,水源为淡水,场地设置满足规范要求。水面蒸发观测时间以8 时为日分界,即每日8 时观测一次,人工蒸发的观测精度为0.1 mm,人工日降水量的雨量器观测精度为0.1 mm。

后引进了HS-LE30 型全自动蒸发系统,该系统的水文要素值观测精度与人工一致,安装调试之后便投入试运行阶段。该系统自运行以来,状态稳定,数据传输存储均正常。为确保HS-LE30 型全自动蒸发系统能顺利投入生产使用,在系统运行后就立即开始了对比观测,目前对已经收集到2020 年5 月至2020 年10 月自动蒸发与人工蒸发同步观测数据开展分析,形成了分析比测报告。

3 HS-LE30型全自动蒸发系统的组成和工作原理

3.1 基本情况

HS-LE30型全自动蒸发系统由水面蒸发器、高精度雨量计、高精度蒸发传感器、控制单元、遥测终端机、补排水装置及配套的软件系统构成。该系统能按照《水面蒸发观测规范》《降水量观测规范》《水文自动测报系统技术规范》《水文情报预报规范》《水情信息编码要求》等规范文件的要求,自动测量蒸发量和降水量,并将测得数据通过无线网络发送至中心站服务器软件平台,实现蒸发及降水观测的自动化。

图2 HS-LE30型全自动蒸发系统结构图

3.2 工作原理

图3 HS-LE30型全自动蒸发系统工作原理示意图

激光位移传感器负责检测E601 水面蒸发器的水位值,高精度称重雨量计负责通过重量检测降水量。控制单元用前一天8 点钟的水位值减去当天8 点钟的水位值,再加上当天8 点前的雨量得出前一天的蒸发量。当发生抽排水时,将抽排水前的蒸发量计算出来；抽排水后的水位更新为上一次水位基值,蒸发所用雨量清零,蒸发量等于抽排水前的蒸发量加上当前水位减去上一次水位基值再加上新的雨量值。

加排水量的工作流程是根据设置的加排水门限参数进行加排水。加排水门限参数包括：汲水阈值、加水阈值、停止阈值。当激光位移传感器检测到水位高于汲水阈值时,先计算之前蒸发量,然后开启泵对E601 蒸发器进行排水,排水过程中监测水位的变化,当水位值低于停止阈值时停止排水。排水后将蒸发所用雨量清零,排水后的水位更新为上一次水位基值。当激光位移传感器检测到水位低于加水阈值时,先计算之前的蒸发量,然后开启泵对E601 蒸发器进行加水,加水过程中监测水位的变化,当水位值高于停止阈值时停止加水。加水后将蒸发所用雨量清零,加水后的水位更新为上一次的水位基值。

4 比测资料分析

4.1 比测方法

比测方法主要根据《水面蒸发观测规范》《降水量观测规范》中的相关规定,每天上午8 点采用人工观测蒸发器和雨量计数据,同时自动雨量蒸发系统采集蒸发和雨量数据,将人工观测的数据和自动雨量蒸发系统采集的数据进行对比分析。

4.2 计算公式

依据《水面蒸发观测规范》规定,E601 型蒸发器人工观测蒸发量的计算公式为：

式中：E为日蒸发量,mm；P为日降水量,mm；∑h取,∑h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,mm；∑h溢为前一日8时至当日8时各次溢流水量之和,mm；h1,h2为上次（前一日）和本次（当日）的蒸发器水面高度,mm。

自动蒸发仪由于是利用激光位移传感器负责检测E601水面蒸发器的水位值,两者观测到的数据存在一定偏差,因此需要按综合折算系数将自动蒸发仪观测数值转换为标准蒸发值。计算公式如下：

式中：E为标准蒸发量,mm；E自为自动蒸发仪测出的蒸发量,mm；K1为综合折算系数,需要同步比测确定。

K1需要通过同步比测确定,即自动蒸发仪观测的同时,人工采用E601 型蒸发器观测,统计时段内的各自蒸发总量,按下式计算出综合折算系数：

自动蒸发仪投入实际生产,进行同步比测,确定其K1值将其换算成标准的蒸发量。

4.3 比测数据采集

加义（二）站自动雨量蒸发系统于2020 年4 月28 日完成安装调测并投入运行,5月1 日起开始比测。截止10 月31日共收集了加义站184条雨量,蒸发数据因仪器电压不足及仪器故障导致共收集174条数据。

4.4 比测数据分析

4.5 数据系列检查

现对比的数据来说除电压低、仪器故障等特殊情况导致数据记录有误之外,并不存在数据丢失的情况。因本次对比的数据不涵盖冬季时节的降雪融雪期间,正常情况来说由于融雪过程较长,人工观测降雨量记录产生滞后,甚至连续跨越多天,因此会导致降雪及融雪期间自动蒸发数据异常。在后期的站点运行中,降雪及融雪期间时期仍采用人工观测蒸发及降雨。

4.6 数据系列合理性分析

将2020年5月至2020年10月每日自动蒸发仪观测值（没有经过K1改正）与人工观测蒸发值分别绘制趋势图,从图中可以看出：

自动蒸发仪观测值（没有经过K1改正）与人工蒸发观测值变化趋势除仪器故障外的数据基本一致,说明自动蒸发仪数据是可靠的。

将2020年5月~10月每月人工蒸发观测值、自动蒸发仪观测值（没有经过K1改正）点绘对照图见图5。

图5 自动蒸发（没有经过K1改正）与人工观测值月对照图

从图中可以看出,自动蒸发仪观测值（没有经过K1改正）与人工蒸发观测值变化趋势一致,蒸发值月变化规律合理,说明自动蒸发仪数据是可靠的。

5 误差分析

从表1、表2、图4、图5可以看出,自动蒸发仪观测的数据（没有经过K1改正）较人工观测的蒸发数据系统偏小,主要原因如下：

表1 对比观测数据统计表 单位：mm

图4 自动蒸发（没有经过K1改正）与人工观测值日对照图

1）自动蒸发仪激光位移传感器负责检测E601水面蒸发器的水位值,加排水根据设置的加排水门限参数进行加排水。在监测时,加排水过程中产生了一定的误差。

2）人工蒸发计算采用JQR01雨量器人工观测雨量,自动蒸发仪蒸发计算采用称重法雨量计自动观测雨量。从目前的雨量数据对比来看,两套雨量设备的雨量记录几乎接近,但仍存在一定的误差。

3）自动蒸发仪与人工蒸发仪虽然安装在同一气象园中,但环境仍有一定差别,导致人工观测和自动蒸发仪蒸发量存在一定的误差。

4）自动蒸发仪的码盘、编码器,人工观测设备如测针、量杯等也存在一定误差,称为计量误差。

5）人工观测存在估读误差。

上述误差可以分为系统误差和随机误差。系统误差可以通过综合换算系数K1消除。随机误差只能通过改进仪器设备精度等方式来改善。

6 系数分析

采用2020年5月至10月人工蒸发观测总量、自动蒸发仪观测总量（没有经过K1改正）按照公式4计算K1值。

7 精度评价

利用分析出的综合折算系数K1值,对自动蒸发仪数据进行换算,得到自动蒸发仪标准蒸发量。按月份统计误差见表。

从表3中可以看出,经过K1换算后,自动蒸发仪观测数据与人工观测值误差较小,满足相关观测要求,自动蒸发仪观测数据可以用于水文资料整编。

表3 误差统计表 单位：mm

8 结语

加义（二）站HS-LE30型全自动蒸发系统运行状态稳定,数据传输正常可靠。通过分析计算,除降雪及融雪时段外,自动蒸发观测数据通过K1系数改正后得到的标准蒸发值与人工观测值比较,误差满足相关规范要求,可以投入生产应用。但需定时在网上查看8时自动蒸发的数据,当出现降雪及融雪时段、电压低、仪器故障等现象导致数据丢失时,立即开展人工观测至数据恢复正常。