雷夢佳 易 剛 彭英杰 孔維正 張侃侃

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410007）

0 引 言

水面蒸發(fā)指水面的水分從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)逸出水面的過程。水面蒸發(fā)包括水分化汽（又稱汽化）和水汽擴(kuò)散兩個(gè)過程[1]。水面蒸發(fā)是水循環(huán)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是水庫、湖泊等水體水量損失的主要部分，也是研究陸面蒸發(fā)的基本參證資料。在防汛抗旱、工程建設(shè)、水資源管理及科學(xué)研究等方面，搜集蒸發(fā)基本資料都有用到水面蒸發(fā)觀測。目前我國用于蒸發(fā)的測量有?20 cm 的小型蒸發(fā)皿和E601型蒸發(fā)皿兩種，觀測方法以人工觀測為主。在地面氣象觀測中，以往大多使用?20 cm的小型蒸發(fā)皿，曾有專業(yè)人員用15 a的夏季水面蒸發(fā)量觀測資料作對比，發(fā)現(xiàn)?20的蒸發(fā)皿測得的蒸發(fā)量比E601型測量的偏大75.8%[2]。

目前基本水文站一般使用E601 型蒸發(fā)皿，采用測針（分辨力為0.1 mm，量程為70 mm或100 mm）每天8時(shí)定時(shí)進(jìn)行人工觀測并計(jì)算日蒸發(fā)量。這種耗費(fèi)人力的方式不能對水面蒸發(fā)的日變化過程定量描述、不能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)量信息的自動(dòng)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸，更不能在蒸發(fā)皿受大風(fēng)或異常干擾而出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)自我校正。人工觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量不僅與人員素質(zhì)有關(guān)，也與工作人員的不同觀測習(xí)慣有關(guān)，這影響到自動(dòng)蒸發(fā)對比數(shù)據(jù)的誤差大小。因此在信息化高速發(fā)展的今天，亟待有數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、運(yùn)行可靠的全自動(dòng)智能蒸發(fā)監(jiān)測設(shè)備來替代人工。

1 蒸發(fā)量計(jì)算

《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》（SL 630-2013）的日蒸發(fā)量計(jì)算如式（1）所示[3]：

式中：E為水面蒸發(fā)量；P為日降雨量；h1-h2為前日與當(dāng)日的蒸發(fā)器液面高度之差；∑h溢為前日8 時(shí)至當(dāng)日8 時(shí)溢流水量之和；∑h加( )補(bǔ) 為前日8時(shí)至當(dāng)日8時(shí)加入水量之和；∑h取( )汲 為前日8時(shí)至當(dāng)日8時(shí)取出水量之和；單位均為mm。

人工觀測與自動(dòng)監(jiān)測在計(jì)算方法上有新的變化。人工計(jì)算是基于當(dāng)日8 時(shí)至次日8 時(shí)的日總量值，在風(fēng)和日麗沒有干擾且觀測人員經(jīng)驗(yàn)豐富的情況下，用電測針測出的數(shù)據(jù)是完全可信的。但若有異物落入蒸發(fā)皿，水體受干擾時(shí)，人工觀測得出的結(jié)果必然會(huì)有誤差。這時(shí)自動(dòng)觀測可以按照細(xì)化到分鐘級(jí)別的原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這一異常跳變，記錄并剔除這個(gè)不合理值，即自動(dòng)蒸發(fā)中的數(shù)據(jù)智能識(shí)別。降雨時(shí)，該情況尤為值得考慮。理想狀態(tài)下，人工觀測的降雨量稍多于蒸發(fā)皿上漲的液位值（假設(shè)無溢流），則可計(jì)算出合理的日蒸發(fā)值，但因風(fēng)速、風(fēng)向、安裝位置等因素影響，可能會(huì)導(dǎo)致兩種情況：①液位漲值大于觀測雨量值，則日蒸發(fā)量出現(xiàn)負(fù)值；②液位漲值大大低于觀測雨量值，則計(jì)算出的日蒸發(fā)量會(huì)出現(xiàn)不合理性偏大?？梢赃@樣理解，公式（1）中，P原本應(yīng)該用實(shí)際落入到蒸發(fā)皿中的降水量來計(jì)算，但現(xiàn)代科技手段不能精準(zhǔn)測出這個(gè)真實(shí)值，只能用另設(shè)的一個(gè)人工雨量觀測值來代替，所以出現(xiàn)了差異。

通過自動(dòng)觀測，每5 min 觀測的蒸發(fā)皿液位以及雨量值都可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測，但自動(dòng)蒸發(fā)計(jì)算可能會(huì)出現(xiàn)下面的問題：假如某天只有2 h 有降雨，其余時(shí)段無降雨，且傳感器數(shù)據(jù)可靠無異常（22 h 的蒸發(fā)值正常），若這2 h 的蒸發(fā)值計(jì)算出來是負(fù)值，這個(gè)負(fù)值參與計(jì)算會(huì)使日蒸發(fā)量值偏小。若采用翻斗雨量計(jì)與口徑618 mm的E601型蒸發(fā)皿觀測，降雨時(shí)根據(jù)其液位變化可計(jì)算出各時(shí)段內(nèi)的蒸發(fā)皿所承受的降水量，利用數(shù)據(jù)相關(guān)性可準(zhǔn)確判斷出雨量計(jì)是否淤堵。降雨時(shí)用液位漲值與相應(yīng)時(shí)段雨量計(jì)值的相關(guān)對比就可以說明自身數(shù)據(jù)的可信度高低，既可以看出液位與降雨量是否同步，又能體現(xiàn)出蒸發(fā)皿與雨量計(jì)各自承受降水量的細(xì)微差別。

從計(jì)算方法上看，自動(dòng)蒸發(fā)觀測與人工觀測的最大區(qū)別是什么時(shí)候降雨、雨強(qiáng)多大，通過蒸發(fā)皿液位和雨量計(jì)的全時(shí)段自動(dòng)觀測可一目了然，分時(shí)段數(shù)據(jù)的對比能看出設(shè)備的好壞與精度，微分精準(zhǔn)的分時(shí)段原始數(shù)據(jù)又保證了日蒸發(fā)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2 自動(dòng)蒸發(fā)技術(shù)方法對比

自動(dòng)蒸發(fā)觀測若要替代人工觀測，原則上必須數(shù)據(jù)要準(zhǔn)、運(yùn)行要可靠。目前的自動(dòng)蒸發(fā)站設(shè)計(jì)，按傳感器安裝方式可分為蒸發(fā)皿外安裝和蒸發(fā)皿內(nèi)安裝。蒸發(fā)皿外安裝即傳感器裝在另外一個(gè)測井內(nèi)，以連通器原理實(shí)現(xiàn)對蒸發(fā)皿內(nèi)的液位測量。傳感器測井大小會(huì)影響蒸發(fā)皿液位的實(shí)際值大小，蒸發(fā)皿液位下降時(shí)，測井內(nèi)的水會(huì)回流。而對于蒸發(fā)皿內(nèi)安裝，傳感器因占據(jù)部分水體面積而影響到水體蒸發(fā)，傳感器所占蒸發(fā)皿水體面積之比越小，則誤差越小、越接近蒸發(fā)皿真實(shí)蒸發(fā)值。假如能做到傳感器象一根針那樣插在水中就能實(shí)現(xiàn)液位測量，則測量結(jié)果更接近理想真值。

自動(dòng)蒸發(fā)站中最重要的是雨量與液位的觀測。液位觀測方法可分為浮子式、補(bǔ)水計(jì)量式、稱重式、聲學(xué)與光學(xué)法、磁致伸縮式。

（1）浮子式工作原理是用連通管將E601 型蒸發(fā)皿水體與“靜水井”相連，用高精度、高分辨率的浮子式水位計(jì)測量“靜水井”的水位，也就測得了E601 型蒸發(fā)皿內(nèi)的液位變化，如圖1所示。由于“靜水井”等設(shè)施的存在，浮子式液位觀測方法的水體較E601 型蒸發(fā)皿大，兩者觀測到的數(shù)據(jù)存在偏差，同時(shí)碼盤、編碼器也存在誤差，水位計(jì)的數(shù)據(jù)作為間接結(jié)果，需要按綜合折算系數(shù)將自動(dòng)蒸發(fā)儀觀測數(shù)值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)值。這是一款研發(fā)較早、仿照傳統(tǒng)水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)水位測井方式的設(shè)計(jì)、能成熟穩(wěn)定使用的設(shè)備。

圖1 浮子式測井結(jié)構(gòu)示意圖

（2）補(bǔ)水計(jì)量式目前運(yùn)用較少，主要依據(jù)動(dòng)態(tài)水量平衡原理[4]。在系統(tǒng)完成整個(gè)水面蒸發(fā)測定過程中，蒸發(fā)皿內(nèi)的液位保持不變，恒壓供水裝置負(fù)責(zé)補(bǔ)水，受控制溢出的水量可通過自動(dòng)計(jì)量設(shè)備測定。無降雨時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)流入的水量減去溢出的水量，差值即為蒸發(fā)量。這種動(dòng)態(tài)定量補(bǔ)水的方式，是否影響水面的汽化值得商榷。

（3）稱重式測蒸發(fā)是近幾年推出的新產(chǎn)品，仍然是連通器的原理。小測桶的液位隨著與之連通的E601 型蒸發(fā)皿的液位變化而變化，通過測出小測桶內(nèi)水體的重量，按密度、系數(shù)換算成相對的液位值。測重傳感器測量精度高，但冬天與夏天的幾十?dāng)z氏度溫差、內(nèi)地與西藏幾千米的氣壓差、干凈水與臟污水體的密度改變，是否會(huì)影響最終計(jì)算結(jié)果的精度需要進(jìn)一步考慮。

（4）聲學(xué)法是利用超聲波收發(fā)裝置測出超聲波從發(fā)射頭到反射面的傳播時(shí)間，從而計(jì)算出距離，精度一般是厘米級(jí)別。光學(xué)法是用激光收發(fā)器測出激光從發(fā)射頭到反射面的時(shí)間，再算出距離。點(diǎn)激光的測量精度很高，小量程的可做到微米級(jí)別。由于是點(diǎn)激光，則測量管所占E601型蒸發(fā)皿水體面積比上述幾種方式大大縮小，結(jié)果更接近E601型蒸發(fā)皿標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)值。

（5）磁致伸縮線性液位傳感器主要由波導(dǎo)絲、測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸浮子（內(nèi)裝有永久磁鐵）組成，原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電子倉內(nèi)的電路產(chǎn)生“起始脈沖”，脈沖沿波導(dǎo)絲恒速傳輸，同時(shí)產(chǎn)生沿著波導(dǎo)絲跟隨脈沖前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)該磁場與浮子的永久磁場相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被電子倉內(nèi)感知并轉(zhuǎn)換成“終止脈沖”。通過計(jì)算時(shí)間差即可測出其位移量，進(jìn)而得到液位值。由原理可知，磁致伸縮液位計(jì)既具備浮子式液位計(jì)精準(zhǔn)反應(yīng)液位變化的優(yōu)點(diǎn)，又避免了如微動(dòng)開關(guān)等接觸式器件易損壞、影響壽命的問題。波導(dǎo)絲作為脈沖傳輸介質(zhì)，本身特性是穩(wěn)定的，不像空氣或液體等介質(zhì)會(huì)有一些變化。磁尺輸出的是真正的絕對數(shù)值，不需要定期重新標(biāo)定，測量過程無須重歸回零位。

圖2 磁致伸縮液位計(jì)結(jié)構(gòu)圖

磁致液位計(jì)具有較高的測量精度，能可靠識(shí)別0.1 mm的微量變化，其具體性能指標(biāo)見表1。磁致液位計(jì)在蒸發(fā)監(jiān)測使用場景中存在其測桿與浮球易發(fā)生黏滯的問題。設(shè)備在運(yùn)行一段時(shí)間臟污之后，一點(diǎn)小小的污物導(dǎo)致的摩擦阻力會(huì)讓浮球被卡阻，反應(yīng)出的現(xiàn)象是液位數(shù)據(jù)數(shù)小時(shí)至十幾小時(shí)不變，若變則變化一個(gè)幅度較大的值（不符合水面蒸發(fā)的緩變物理過程），黏滯使蒸發(fā)液位的變化不能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地測量出來。

表1 磁致液位計(jì)性能指標(biāo)

針對磁致液位計(jì)黏滯問題設(shè)計(jì)了專利殼體，使得測出的數(shù)據(jù)不但靈敏度很高，在防污防黏滯的同時(shí)還具有另一個(gè)優(yōu)勢：冬天在測管內(nèi)加入適量防凍油，能順利實(shí)現(xiàn)南方地區(qū)薄冰期自動(dòng)蒸發(fā)站不停測。對于液位傳感器的選擇，應(yīng)在保證精度和可靠性的前提下，首選占蒸發(fā)皿水體面積小的液位傳感器，測量即可直接得出準(zhǔn)確結(jié)果，避免間接換算而產(chǎn)生誤差。該液位計(jì)殼體管徑為35 mm，僅占E601型蒸發(fā)皿水體面積的0.3%，能有效減小蒸發(fā)測量系統(tǒng)誤差。液位計(jì)可直接裝于E601型蒸發(fā)皿內(nèi)側(cè)壁，不用挖土另建測井，便于老站的改造。

3 觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過持續(xù)對自動(dòng)蒸發(fā)站的研究，對多個(gè)試運(yùn)行比測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀察分析，逐步發(fā)現(xiàn)問題并不斷改進(jìn)監(jiān)測方法，整個(gè)蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)日趨穩(wěn)定成熟，在此對所研發(fā)的自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹與數(shù)據(jù)分析。

自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)按功能應(yīng)用分觀測場、本地管理站、云端網(wǎng)頁3 部分，系統(tǒng)組成見圖3。觀測場包括箱體（RTU（Remote Terminal Unit）、溫濕度計(jì)、光板、電池）、液位計(jì)（安裝于E601 型蒸發(fā)皿內(nèi)側(cè)）、雨量計(jì)和全自動(dòng)加排水設(shè)施。RTU 采用工業(yè)5 寸彩色觸摸屏。本地管理站是通過有線或無線將本地水文站辦公室PC 機(jī)與RTU 相連，辦公室PC 機(jī)可直接操控RTU，進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、參數(shù)讀寫、整理等。室內(nèi)操作免去了維護(hù)人員在室外的風(fēng)吹日曬之苦。云端網(wǎng)頁是系統(tǒng)設(shè)計(jì)了云平臺(tái)Web 網(wǎng)站——水文氣象信息自動(dòng)監(jiān)測集控管理平臺(tái)。這一功能的設(shè)計(jì)，方便相關(guān)工作人員和決策者隨時(shí)從網(wǎng)頁實(shí)時(shí)獲取自動(dòng)蒸發(fā)站的實(shí)時(shí)信息，包括日蒸發(fā)量、小時(shí)降水量、蒸發(fā)器水面高度、綜合過程線、全景圖等。

圖3 自動(dòng)蒸發(fā)站系統(tǒng)組成圖

從多站的運(yùn)行比測可看出，磁致液位計(jì)數(shù)據(jù)精度和可靠性比傳感器直接裸裝于蒸發(fā)皿內(nèi)要好[5]。選取南方區(qū)域雁池和株洲自動(dòng)蒸發(fā)站的部分夏季實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行翻斗雨量計(jì)、人工觀測雨量、E601型蒸發(fā)皿液位漲值的對比，見表2。雁池站位于湖南省石門縣雁池鄉(xiāng)雁池水文站，東經(jīng)110°55′，北緯29°48′。雁池水文站為澧水支流渫水上游及皂市水庫入庫站，屬于省級(jí)重要水文站。株洲站位于湖南省株洲市蘆淞區(qū)王塔沖，東經(jīng)113°80′，北緯26°47′，毗鄰湘江。

表2 2021年不同站翻斗日雨量、人工觀測日雨量與蒸發(fā)皿液位對照

表2 中，自動(dòng)翻斗雨量值、人工觀測雨量和E601 型蒸發(fā)皿的液位漲值分別是3 個(gè)相距數(shù)米遠(yuǎn)的不同容器所體現(xiàn)出降雨時(shí)的對應(yīng)觀測數(shù)據(jù)。雁池站2021年9月16日人工觀測日雨量為0.2 mm，而翻斗雨量和蒸發(fā)皿內(nèi)液位漲值均為0，株洲站2021年7月27日人工觀測日雨量為0，而翻斗雨量和蒸發(fā)皿內(nèi)液位漲值均為0.1 mm。翻斗雨量與液位漲值對于有雨或者無雨監(jiān)測的同步一致性說明了自動(dòng)觀測方法的可靠性，同時(shí)也說明了人工觀測本身就可能存在誤讀或誤記，不能作為自動(dòng)觀測誤差衡量的唯一參考標(biāo)準(zhǔn)。

此外，表2顯示3個(gè)不同觀測對象的值作為3個(gè)獨(dú)立變量，既有在降雨日變化必然的相關(guān)一致性，也有各自不同的細(xì)微差異性。從大量的原始數(shù)據(jù)觀察得出，這樣的細(xì)微差異是客觀真實(shí)存在的，可以簡單理解為雨下得不均勻。同理，這也很難在降雨時(shí)，觀測到其自動(dòng)蒸發(fā)觀測值與人工蒸發(fā)觀測值絕對的一致。

表3 數(shù)據(jù)為兩個(gè)測站1 h 液位漲值與1 h 翻斗雨量計(jì)值的對比。兩個(gè)測站1 h 翻斗雨量值與液位上漲值最大誤差是0.3 mm。相應(yīng)時(shí)段兩個(gè)對應(yīng)數(shù)據(jù)的高同步性印證了磁致液位計(jì)的高精準(zhǔn)性。

表3 2021年不同日期降雨時(shí)蒸發(fā)皿液位漲值與翻斗雨量計(jì)值1 h對比

以往做自動(dòng)與人工的數(shù)據(jù)比測，均是采用兩個(gè)E601型標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿，雨量也是翻斗雨量計(jì)與人工觀測雨量計(jì)的兩套數(shù)據(jù)。但經(jīng)過自動(dòng)蒸發(fā)測試研究發(fā)現(xiàn)，同樣類型的磁致液位計(jì)分別觀測兩個(gè)E601 型蒸發(fā)皿，每天的蒸發(fā)量值會(huì)有偏差，水體較臟的一個(gè)蒸發(fā)量偏小。為了證明不是液位計(jì)的原因造成，將兩液位計(jì)再安裝于同一個(gè)蒸發(fā)皿內(nèi)觀測，每日數(shù)據(jù)就變成一致了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明兩個(gè)不同蒸發(fā)皿水體的蒸發(fā)量是存在細(xì)微差異的。由此也推測，自動(dòng)觀測與人工觀測的20 cm 口徑兩個(gè)雨量計(jì)，得到的日觀測數(shù)據(jù)也是會(huì)存在差異，除非將翻斗雨量計(jì)的雨水完全接入人工觀測玻璃瓶中，這樣所得的對比數(shù)據(jù)才更科學(xué)。今后在比測中可另外安裝一個(gè)35 mm 直徑的磁致液位計(jì)在人工觀測蒸發(fā)皿中，僅作為全時(shí)段的人工池液位數(shù)據(jù)采集用（不自動(dòng)加排水），有了兩個(gè)液位傳感器的數(shù)據(jù)與人工觀測值的對比，則會(huì)得出更科學(xué)合理的比測結(jié)果。

4 結(jié) 語

綜合自動(dòng)蒸發(fā)站研究的對比分析，液位計(jì)選型以解決黏滯問題的磁致液位計(jì)為最優(yōu)。磁致液位計(jì)因不受海拔高度、溫度氣壓限制和小口徑占E601型蒸發(fā)皿水體面積小等優(yōu)點(diǎn)，而具有廣泛的適用性。除了北方冬天蒸發(fā)皿整個(gè)水體凍成冰不能使用，特別適合南方地區(qū)全周期自動(dòng)蒸發(fā)觀測。小型優(yōu)化的外觀設(shè)計(jì)降低了蒸發(fā)站改造安裝的建設(shè)成本。

隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，自動(dòng)化程度會(huì)更高。自動(dòng)設(shè)備的職責(zé)就是做人力所不及、人力所不能之事。如果自動(dòng)觀測設(shè)備仍是模仿人工模式，只觀測8時(shí)的數(shù)據(jù)，或監(jiān)測間隔時(shí)段很稀疏，則似乎對不住“自動(dòng)觀測”這一名稱。對于自動(dòng)蒸發(fā)站，是否可以逐步達(dá)成共識(shí)，除了應(yīng)有一些常規(guī)功能外，液位與雨量應(yīng)按照《水利監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》[6]每5 min采集存儲(chǔ)，且RTU具有智能數(shù)據(jù)識(shí)別功能，對大風(fēng)、人或動(dòng)物造成的異常數(shù)據(jù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、記錄和剔除，同時(shí)RTU 的南方薄冰期不停測功能對于自動(dòng)蒸發(fā)站也頗有價(jià)值。

自動(dòng)蒸發(fā)設(shè)備若能得到制度化的定期運(yùn)維，則必能保證長期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。目前設(shè)備加入了人工智能，不久后可能會(huì)有自動(dòng)自清洗功能。全時(shí)段精準(zhǔn)的原始大數(shù)據(jù)必能為今后的科學(xué)研究提供更豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。