（山東省濟(jì)寧市水文局 濟(jì)寧 272019）

1 前言

后營(yíng)水文站位于南水北調(diào)東線梁濟(jì)運(yùn)河段河道樁號(hào)8+400 處，為南四湖流域梁濟(jì)運(yùn)河干流控制站，目前該站主要觀測(cè)項(xiàng)目有降水量、水位、流量、蒸發(fā)、泥沙、水文調(diào)查、水質(zhì)、冰情、墑情，觀測(cè)任務(wù)較重。后營(yíng)站蒸發(fā)觀測(cè)設(shè)備為E601B 型蒸發(fā)器，每天8:00 定時(shí)人工觀測(cè)方式，無法得到短歷時(shí)蒸發(fā)量變化過程，也不能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量的自動(dòng)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。為推進(jìn)水文測(cè)報(bào)方式改革，提升蒸發(fā)量觀測(cè)的現(xiàn)代化水平，安裝了一套MKHY·FFZ-02 型全自動(dòng)數(shù)字化水面蒸發(fā)觀測(cè)站系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量的自動(dòng)觀測(cè)、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程傳輸，完成蒸發(fā)量的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

后營(yíng)水文站自2019年5月起對(duì)MKHY·FFZ-02型全自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)與E601B 水面蒸發(fā)器的日蒸發(fā)量進(jìn)行比測(cè)，采用5 到11月的比測(cè)資料，得到208日的自動(dòng)監(jiān)測(cè)日蒸發(fā)量與人工觀測(cè)日蒸發(fā)量比測(cè)成果。經(jīng)比測(cè)發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)差異較大，本次研究將對(duì)其差異進(jìn)行分析研究，找出差異原因，對(duì)下一步比測(cè)工作提出合理化建議。

2 自動(dòng)水面蒸發(fā)儀器概況

2.1 自動(dòng)水面蒸發(fā)儀器介紹

后營(yíng)水文站采用的自動(dòng)蒸發(fā)儀器為MKHY·FFZ-02 型全自動(dòng)數(shù)字化水面蒸發(fā)觀測(cè)站系統(tǒng)。該儀器以E601B 蒸發(fā)器為中心，配套分辨率0.1mm 的雨量筒，液位測(cè)量、補(bǔ)排水系統(tǒng)、控制通訊系統(tǒng)、電源、軟件系統(tǒng)等。與其他自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)儀器相比，MKHY·FFZ-02 型儀器采用主動(dòng)定量汲水方案，無溢流計(jì)量狀態(tài)。蒸發(fā)器水位測(cè)量采用的磁致伸縮液位傳感器利用磁致伸縮原理，通過測(cè)量發(fā)出的電脈沖與兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖之間的時(shí)間差精確算出蒸發(fā)器內(nèi)水面高度。

2.2 日蒸發(fā)量計(jì)算原理

根據(jù)《水面蒸發(fā)規(guī)范》（SL630-2013），日蒸發(fā)量按照公式（6.2.2-1）計(jì)算：

圖1 自動(dòng)與人工觀測(cè)日蒸發(fā)量逐日對(duì)比圖

圖2 自動(dòng)與人工觀測(cè)日蒸發(fā)量觀測(cè)誤差直方圖和正態(tài)分布圖

式中，E 為日蒸發(fā)量；P 為日降水量；Σh取、Σh加為前一日8 時(shí)至當(dāng)日8 時(shí)各次取出水量之和及加入水量之和；Σh溢為前一日8 時(shí)至當(dāng)日8 時(shí)各次溢流水量之和；h1、h2為前一日和當(dāng)日的蒸發(fā)器水面高度。[1]

由上述公式可以看出，日蒸發(fā)量誤差主要取決于降水量、取水量、加水量、溢流量及蒸發(fā)器內(nèi)液面高度測(cè)量的準(zhǔn)確性。由于后營(yíng)站應(yīng)用的自動(dòng)蒸發(fā)儀器采用主動(dòng)定量汲水方案，無溢流計(jì)量狀態(tài)，因此主要從降水量、取水量、加水量及蒸發(fā)器內(nèi)液面高度測(cè)量等4 個(gè)方面進(jìn)行誤差分析。

3 蒸發(fā)量誤差分析

3.1 自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)器誤差分析

3.1.1 系統(tǒng)誤差

通過對(duì)比后營(yíng)水文站5月至11月自動(dòng)觀測(cè)及人工觀測(cè)的日蒸發(fā)量，如圖1自動(dòng)與人工觀測(cè)日蒸發(fā)量逐日對(duì)比圖和圖2自動(dòng)與人工觀測(cè)日蒸發(fā)量觀測(cè)誤差直方圖和正態(tài)分布圖，可以看出人工蒸發(fā)觀測(cè)數(shù)值整體大于自動(dòng)蒸發(fā)量測(cè)數(shù)值，自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)值存在約-0.7mm 左右的系統(tǒng)偏差。分析其系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因，蒸發(fā)桶與蒸發(fā)傳感器通過連通管連接起來，蒸發(fā)傳感器測(cè)量的水位與蒸發(fā)桶內(nèi)水位應(yīng)該存在換算關(guān)系。按照廠家提供的方法，將自動(dòng)蒸發(fā)量乘以修正系數(shù)訂正后，訂正后的自動(dòng)觀測(cè)量與人工觀測(cè)蒸發(fā)量仍存在較大差異。

3.1.2 降水誤差

全自動(dòng)蒸發(fā)儀器采用分辨率0.1mm 的磁致伸縮液位式雨量器，與觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)人工雨量計(jì)、分辨率0.5mm 的翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行對(duì)比，人工觀測(cè)雨量與翻斗式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)的日雨量相近，與自動(dòng)蒸發(fā)儀器監(jiān)測(cè)的日雨量有一定差距，以降水量＜10mm 時(shí)測(cè)量誤差±0.1mm 以內(nèi)，降水量≥10mm 時(shí)測(cè)量誤差±0.2mm 以內(nèi)為合格（見表1），5 至11月共發(fā)生48 場(chǎng)降水，小于10mm 的降水有37 場(chǎng)，其中有15場(chǎng)誤差不超限，合格率為40.5%；大于等于10mm的降水11 場(chǎng)，僅有1 場(chǎng)誤差不超限，合格率9.1%。

表1 自動(dòng)觀測(cè)降水量與人工觀測(cè)降水量誤差統(tǒng)計(jì)表（單位：場(chǎng)）

以8月6日至7日連續(xù)降水為例，人工觀測(cè)雨量為146.2mm，翻斗式雨量計(jì)測(cè)量雨量為143.5mm，而自動(dòng)蒸發(fā)儀器監(jiān)測(cè)的雨量為153.5mm，人工觀測(cè)雨量與翻斗式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)的雨量相近，與自動(dòng)蒸發(fā)儀器監(jiān)測(cè)的雨量有一定差距。通過繪制兩個(gè)儀器監(jiān)測(cè)的降水過程（見圖3）可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)儀器的雨量誤差主要來自于8月6日13 時(shí)至15 時(shí)、8月7日2 時(shí)至5 時(shí)兩處高強(qiáng)度連續(xù)降水的測(cè)量上。

3.1.3 蒸發(fā)器內(nèi)液面高度測(cè)量誤差

除降水外，還需要分析風(fēng)的因素對(duì)自動(dòng)蒸發(fā)的影響。對(duì)于其他自動(dòng)蒸發(fā)儀器，大風(fēng)對(duì)其造成的影響主要表現(xiàn)在時(shí)段蒸發(fā)量的負(fù)值處理上：時(shí)段蒸發(fā)量為上次蒸發(fā)器內(nèi)水面高度減去本次蒸發(fā)器內(nèi)水面高度，當(dāng)差值為負(fù)值時(shí)程序會(huì)自動(dòng)將該時(shí)蒸發(fā)量處理為0.0mm[2]。而MKHY·FFZ-02 型自動(dòng)蒸發(fā)器程序?qū)⒈３重?fù)值差值，累計(jì)計(jì)入日蒸發(fā)量中，并在下一時(shí)段風(fēng)停時(shí)抵消該負(fù)值影響，因此大風(fēng)不會(huì)對(duì)MKHY·FFZ-02 型自動(dòng)蒸發(fā)器的日蒸發(fā)量產(chǎn)生影響。

3.1.4 加水、汲水

自動(dòng)蒸發(fā)儀器加水、汲水均在封閉的環(huán)境下進(jìn)行，受外部環(huán)境影響較小[3]。除考慮外部環(huán)境外，還需要考慮蒸發(fā)器內(nèi)液面高低對(duì)蒸發(fā)產(chǎn)生的影響。在同一環(huán)境下，蒸發(fā)器內(nèi)水體越少，水體溫度就越高，蒸發(fā)就越大。而自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)的自動(dòng)加、汲水功能使蒸發(fā)器內(nèi)水面高度保持在一定范圍內(nèi)，最大程度上排除了蒸發(fā)器內(nèi)液面高低對(duì)蒸發(fā)量的影響。

3.2 人工觀測(cè)誤差

由于不同觀測(cè)人員的觀測(cè)習(xí)慣、反應(yīng)速度各不相同，會(huì)導(dǎo)致人工觀測(cè)的日蒸發(fā)量出現(xiàn)偏差。雷電暴雨等惡劣天氣也會(huì)影響人工觀測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖3 8月6日至7日磁致伸縮液位式雨量器和翻斗式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)的降水過程圖

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）自動(dòng)觀測(cè)后營(yíng)站全自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的日蒸發(fā)量整體偏小，存在約為-0.7mm 左右的系統(tǒng)偏差值，應(yīng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行系統(tǒng)修正。

（2）全自動(dòng)蒸發(fā)儀器采用的磁致伸縮液位式雨量器在測(cè)量小于10mm 的降水時(shí)合格率為40.5%，測(cè)量大于等于10mm 的降水時(shí)合格率僅為9.1%，合格率較低，降水量等外部水量測(cè)量不準(zhǔn)確是導(dǎo)致蒸發(fā)量觀測(cè)誤差的一重要影響因素。

4.2 意見與建議

對(duì)比人工觀測(cè)，全自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)能夠排除因觀測(cè)人員不同觀測(cè)習(xí)慣而產(chǎn)生的人為因素影響以及惡劣天氣對(duì)觀測(cè)質(zhì)量的影響。自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)的自動(dòng)加、汲水功能使蒸發(fā)器內(nèi)水面高度保持在一定范圍內(nèi)，最大程度上排除了蒸發(fā)器內(nèi)液面高低對(duì)蒸發(fā)量的影響。經(jīng)去年一年的運(yùn)行，自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工況良好，極少發(fā)生設(shè)備故障。就長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)能夠節(jié)省大量人力、物力，排除人為及天氣等因素干擾，符合打造智慧水文的要求，其上線運(yùn)行是勢(shì)在必行的，需要做好儀器的對(duì)比觀測(cè)及運(yùn)行維護(hù)工作，選擇出適合本地區(qū)的自動(dòng)蒸發(fā)觀測(cè)儀器。

（1）進(jìn)一步加強(qiáng)比測(cè)工作。建議重新校核鑒定雨量器，并在下一階段的比測(cè)中做好磁致伸縮液位式雨量器與翻斗式雨量器、人工雨量器的對(duì)比觀測(cè)記錄。調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，修正系統(tǒng)偏差，做好對(duì)比觀測(cè)記錄表，每日及時(shí)對(duì)比分析人工及自動(dòng)觀測(cè)蒸發(fā)量誤差，對(duì)異常數(shù)據(jù)應(yīng)立即查明原因并及時(shí)解決。

（2）加強(qiáng)對(duì)儀器運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)及運(yùn)行管理維護(hù)。MKHY·FFZ-02 型全自動(dòng)數(shù)字化水面蒸發(fā)觀測(cè)站系統(tǒng)的維護(hù)包括自動(dòng)蒸發(fā)設(shè)備的維護(hù)以及網(wǎng)上數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的維護(hù)兩部分，應(yīng)建立好維護(hù)日志，做好儀器設(shè)備的日常檢查工作，發(fā)現(xiàn)儀器故障及時(shí)維修，并做好儀器的冬季防凍工作■