JHZT- RTU- AE 型全自動水面蒸發(fā)系統(tǒng)比測試驗研究

霍小虎，郭西軍

（黃河水利委員會上游水文水資源局，甘肅蘭州730030）

1 測站概況

民和水文站設(shè)立于1939 年10 月，隸屬于黃河水利委員會上游水文水資源局。地理位置為青海省民和縣川口鎮(zhèn)史納村, 坐標(biāo)為東經(jīng)102°47′35.6″、北緯 36°20′06.1″，至河口 75.3 km，集水面積15 342 km2。民和水文站是黃河一級支流湟水的把口站，為國家重要水文站和重點報汛站。

2 儀器原理及系統(tǒng)組成

JHZT-RTU-AE 型全自動蒸發(fā)系統(tǒng)以E601 型蒸發(fā)器為基礎(chǔ)，采用可識別0.1 mm 水面高度變化的水介質(zhì)超聲波傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，通過監(jiān)測蒸發(fā)皿中水面高度變化，結(jié)合人工觀測降雨量值的輸入，監(jiān)測逐日水面蒸發(fā)量。當(dāng)蒸發(fā)皿水面高度低于要求水面高度時，系統(tǒng)可自動補(bǔ)水。產(chǎn)生溢流時，溢流傳感器自動監(jiān)測溢流量。系統(tǒng)組成如圖1 所示。該系統(tǒng)具有以下特點：一是設(shè)備安裝方便，無須改動E-601 蒸發(fā)皿，步驟簡單易行，傳感器直接沉入蒸發(fā)皿底部中央，不影響蒸發(fā)環(huán)境條件；風(fēng)浪較大時還可安裝防風(fēng)消浪管消除波浪。二是系統(tǒng)可實現(xiàn)蒸發(fā)皿水面自動補(bǔ)水。補(bǔ)水起始高度可遠(yuǎn)程設(shè)置，補(bǔ)水水源可采用補(bǔ)水水箱及有壓自來水2 種方式，可根據(jù)情況選用。三是蒸發(fā)皿溢流孔連接翻斗式溢流計，其分辨率符合蒸發(fā)觀測規(guī)范要求，溢流量單位與降水相同，單位溢流量對應(yīng)蒸發(fā)皿承雨面積。四是系統(tǒng)每隔6 分鐘監(jiān)測1 次水面高度，每小時發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，整點間根據(jù)數(shù)據(jù)變化加發(fā)數(shù)據(jù)，還可以電話振鈴招測；無須去現(xiàn)場即可遠(yuǎn)程設(shè)置傳感器的工作模式和設(shè)備參數(shù)，語音撥打設(shè)備手機(jī)號可隨時了解儀器工作狀態(tài)，從而降低了日常維護(hù)的成本。

3 比測試驗情況

該系統(tǒng)在 2017 年 5 月 1 日—10 月 31 日及2018 年4 月1 日—10 月31 日期間，采用人工觀測與儀器自動觀測同步進(jìn)行，并對儀器運行情況進(jìn)行了詳細(xì)觀測記錄，系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定。

儀器運行情況：其中2017 年的比測數(shù)據(jù)中，有13 d 因雷達(dá)探頭損壞無法采集水面高度數(shù)據(jù)，2018 年的比測數(shù)據(jù)有16 d 因軟件故障導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)缺失，上述問題經(jīng)發(fā)現(xiàn)后，經(jīng)過維護(hù)，及時恢復(fù)正常觀測。

觀測期間，存在部分日儀器蒸發(fā)量與人工觀測值相比誤差較大的情況。經(jīng)分析，主要是人工操作因素、強(qiáng)降水影響、水池清理不及時等原因造成，在數(shù)據(jù)分析的過程中進(jìn)行了前后日蒸發(fā)量的對照與合理性分析，確定了出現(xiàn)誤差的原因非系統(tǒng)誤差后，對該部分?jǐn)?shù)據(jù)按要求進(jìn)行了合理的篩選，最后采用的參與比測試驗分析的數(shù)據(jù)共316 d，2017 年144 d，2018 年為 172 d。

分別繪制2017 年、2018 年自記與人工觀測蒸發(fā)量比測過程線，如圖2、圖3 所示，具體比測數(shù)據(jù)見表1。

統(tǒng)計計算各月、全年（汛期）蒸發(fā)觀測誤差，計算結(jié)果見表1。

表1 誤差統(tǒng)計計算

根據(jù)國標(biāo)GB/T 15966-2017《水文儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》第5.6 條水面蒸發(fā)器技術(shù)參數(shù)要求，遙測（自記）蒸發(fā)器允許誤差3%。民和站2018年比測期間，無論是蒸發(fā)月總量還是非冰期總量，自記和人工觀測值的相對誤差均小于3%，滿足規(guī)范要求，具備推廣應(yīng)用條件。

4 分析結(jié)論

通過對比分析，2017 年汛期（5—10 月）總蒸發(fā)量誤差為2.1 mm，相對誤差0.3%；2018 年汛期（4—10月）總蒸發(fā)量誤差為-1.1 mm，相對誤差-0.2%，逐月累計相對誤差都在3%以內(nèi)，能夠滿足規(guī)范要求。

全自動蒸發(fā)系統(tǒng)近2 年在民和站的試驗期間運行情況良好，系統(tǒng)基本穩(wěn)定，后續(xù)維護(hù)及時，基本能夠滿足非冰期水面蒸發(fā)自動觀測需求，具備在其他測站推廣應(yīng)用條件。

通過技術(shù)能力提升可以改變上游測區(qū)以往只是依靠人工觀測蒸發(fā)的現(xiàn)狀，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r網(wǎng)上查詢、下載，實現(xiàn)了無人值守，提高工作效率。

該系統(tǒng)安裝簡便，無需對現(xiàn)有的蒸發(fā)器進(jìn)行改裝，且系統(tǒng)所采用的超聲波傳感器與傳統(tǒng)浮子式自動蒸發(fā)相比較，采集數(shù)據(jù)更靈敏、更便捷、更精確。

5 存在問題及改進(jìn)建議

JHZT-RTU-AE 型全自動蒸發(fā)觀測系統(tǒng)通過在民和水文站的比測試驗，比測資料誤差滿足規(guī)范要求，系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定，能夠節(jié)省人力，提高蒸發(fā)觀測效率。在今后應(yīng)用中應(yīng)注重從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：一是JHZT-RTU-AE 型全自動蒸發(fā)是無須人工干預(yù)自動采集蒸發(fā)數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)自動補(bǔ)水、排水，若蒸發(fā)桶內(nèi)水質(zhì)發(fā)生變化或出現(xiàn)漂浮物，會對水介質(zhì)超聲波傳感器測量精度產(chǎn)生影響，因此蒸發(fā)桶內(nèi)水體需要人工定期清理，保持蒸發(fā)桶內(nèi)水質(zhì)清潔，確保測量精度。二是JHZT-RTU-AE 型全自動蒸發(fā)系統(tǒng)只適用于非冰期水面蒸發(fā)觀測。因此，在冬季結(jié)冰期間，必須拔掉采集儀、傳輸模塊電源，把蒸發(fā)桶、補(bǔ)水桶內(nèi)水抽干凈，以確保儀器設(shè)備不因結(jié)冰損壞。三是該系統(tǒng)投入應(yīng)用后，應(yīng)定期對儀器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析，防止因換水、水池未及時清理等情況帶來的數(shù)據(jù)突變。四是遇強(qiáng)降水天氣時，應(yīng)及時分析已采集的水面高度是否合理，避免因水面波動較大導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集有誤，影響蒸發(fā)量計算結(jié)果。