E601B水面自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測(cè)方法的分析與評(píng)價(jià)

王冬至，羅清元，趙彥增

(河南省水文水資源局，鄭州 450003)

0 引言

蒸發(fā)是水文循環(huán)和水量平衡的基本要素之一，是水循環(huán)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。中國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)約30%～50%、干旱地區(qū)80%～95%的年降水量被蒸發(fā)。因此，蒸發(fā)是氣象水文工作不可或缺的一項(xiàng)重要觀測(cè)內(nèi)容。目前，全國(guó)正在實(shí)施水文現(xiàn)代化建設(shè)規(guī)劃，全要素的水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行，但由于多種因素制約，目前蒸發(fā)量的監(jiān)測(cè)主要依賴于人工觀測(cè)，沒(méi)有較為可靠的自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，不能自動(dòng)采集、處理、共享以及自動(dòng)整編監(jiān)測(cè)資料，與水文現(xiàn)代化的要求存在較大差距，文章試圖分析研究自動(dòng)監(jiān)測(cè)存在的瓶頸，為研究、探索新的方法提供借鑒。

1 水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求

1973年世界氣象組織儀器和觀測(cè)方法委員會(huì)推薦使用美國(guó)A級(jí)蒸發(fā)器和前蘇聯(lián)的GGI-3000型蒸發(fā)器作為水面蒸發(fā)觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)器。國(guó)內(nèi)采用的E601B蒸發(fā)器是GGI-3000的改進(jìn)型[1]。SL 630-2013《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，E601B蒸發(fā)器為中國(guó)水面蒸發(fā)觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器。測(cè)針?lè)直媪?.1 mm，人工觀測(cè)時(shí)讀至0.1 mm；采用自動(dòng)觀測(cè)時(shí)，蒸發(fā)觀測(cè)傳感器分辨力為0.1 mm。觀測(cè)頻次為每日08：00觀測(cè)1次，即觀測(cè)從當(dāng)日08：00至次日08：00的日蒸發(fā)量[2]。

由于自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測(cè)的分辨力需要達(dá)到0.1 mm，精密度要求高，而且分辨力不僅是傳感器自身的分辨力，還是環(huán)境因素、水體物理特性、監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)共同作用下的綜合分辨力，顯然滿足監(jiān)測(cè)要求存在較大困難。所以，自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測(cè)成為了水文、氣象部門長(zhǎng)期沒(méi)有解決的技術(shù)難題[3]。

2 水面蒸發(fā)觀測(cè)影響要素分析

2.1 環(huán)境因素

1)風(fēng)

風(fēng)是常見的自然現(xiàn)象，對(duì)蒸發(fā)器水位觀測(cè)影響較大。當(dāng)風(fēng)朝著一個(gè)方向吹時(shí)，能使蒸發(fā)器一側(cè)水位降低，另一側(cè)水位升高；風(fēng)能使水面出現(xiàn)波浪，水面以下水體出現(xiàn)震蕩。針對(duì)蒸發(fā)器直接開展水位監(jiān)測(cè)時(shí)，即使傳感器自身分辨力很高，但由于風(fēng)的影響會(huì)喪失0.1 mm的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度。

2)降雨

在出現(xiàn)較大降雨時(shí)，現(xiàn)有蒸發(fā)器和水圈構(gòu)成的蒸發(fā)監(jiān)測(cè)裝置，降水的濺入、濺出量存在差異。這一差異的大小既與裝置構(gòu)成有關(guān)，又與降雨強(qiáng)度有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)水面蒸發(fā)器的器口呈圓形，器口面積為3000 cm2，直徑為618 mm，高為687 mm。水圈環(huán)繞蒸發(fā)器，水圈寬度約為20 cm。在出現(xiàn)降雨時(shí)，假設(shè)器壁內(nèi)外20 cm區(qū)域內(nèi)為雨滴濺出濺入?yún)^(qū)域，那么，雨滴濺出的落區(qū)面積為2627 cm2，雨滴濺入的落區(qū)面積為5139 cm2，雨滴濺入的落區(qū)面積是濺出落區(qū)面積的1.96倍。即在固定暴雨強(qiáng)度條件下，濺入量是濺出量的1.96倍。

日降水量的監(jiān)測(cè)誤差也會(huì)給日蒸發(fā)監(jiān)測(cè)造成很大影響。按照規(guī)范要求，降雨量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度要達(dá)到±2%～4%，對(duì)于降水觀測(cè)，這一準(zhǔn)確度已經(jīng)完全滿足要求，但對(duì)于日蒸發(fā)配套雨量監(jiān)測(cè)，卻無(wú)法滿足日蒸發(fā)觀測(cè)精度要求。在蒸發(fā)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，普遍存在著一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為雨量傳感器分辨力達(dá)到0.1 mm就能滿足蒸發(fā)觀測(cè)準(zhǔn)確度的需要，其實(shí)不然，分辨力是基本要求，真正影響蒸發(fā)監(jiān)測(cè)精度的是日降雨監(jiān)測(cè)的絕對(duì)誤差。因此，為了滿足日蒸發(fā)觀測(cè)需要，降雨監(jiān)測(cè)需要具備更高的準(zhǔn)確度。

3)氣溫

氣溫的變化能夠引起蒸發(fā)器水體溫度變化，從而引起水的物理特性發(fā)生變化，間接影響水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)。當(dāng)氣溫降到0 ℃以下時(shí)，蒸發(fā)器將出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)將很難實(shí)施。

2.2 水的物理特性

1)密度

水的密度是隨著水體溫度變化而變化的[4]。水體溫度高于4 ℃時(shí)，水的密度隨著溫度的升高而減??；低于4 ℃時(shí)，水的密度隨著溫度的降低而減小。水體密度的變化對(duì)水面蒸發(fā)監(jiān)測(cè)會(huì)造成較大影響。假設(shè)蒸發(fā)器中水體質(zhì)量為180 kg，根據(jù)常壓下水體密度隨溫度變化資料，可以分析計(jì)算溫度升高對(duì)蒸發(fā)器水位的影響。設(shè)某一起始時(shí)刻蒸發(fā)器中水體平均溫度為T1，水的密度為ρ1，水體質(zhì)量M；結(jié)束時(shí)刻蒸發(fā)器中水體平均溫度為T2，水的密度為ρ2，蒸發(fā)器因溫度變化引起的水位變幅為ΔH(mm)，則

ΔH=(10M/3)[(ρ1-ρ2)/(ρ1ρ2)]

(1)

通常情況下，由于白天受太陽(yáng)照射的影響，蒸發(fā)器中水體溫度升高，夜晚水體溫度降低，水體的密度也隨之發(fā)生變化，因此采用累計(jì)分時(shí)段蒸發(fā)量的方法以獲得日蒸發(fā)量，或通過(guò)電子測(cè)針定位逐步加水的方法均不可取。另外直接監(jiān)測(cè)相鄰兩日08：00水位的方法，但當(dāng)水體平均溫度變化較大時(shí)，密度變化引起的誤差具有較大的不確定性。

2)水的粘滯性

且本次美國(guó)對(duì)我國(guó)發(fā)起的“301調(diào)查”，矛頭直指中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)相關(guān)問(wèn)題。在其《特別“301調(diào)查”報(bào)告》中，美國(guó)認(rèn)為我國(guó)沒(méi)有有效地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（即專利權(quán)、商業(yè)秘密和著作權(quán)等）。美國(guó)部分公民依賴其知識(shí)產(chǎn)權(quán)獲得經(jīng)濟(jì)報(bào)酬，美國(guó)認(rèn)為我國(guó)沒(méi)有為他們提供平等的市場(chǎng)保護(hù)，并將其定性為強(qiáng)制性技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

水的粘滯性是水的重要物理特性，在水體流動(dòng)時(shí)，表現(xiàn)為兩層之間的剪應(yīng)力。剪應(yīng)力大小與粘性系數(shù)呈正比，與剪應(yīng)力垂向的流速梯度呈正比。而粘性系數(shù)與水體溫度相關(guān)，溫度越高，粘性系數(shù)越小，溫度越低，粘性系數(shù)越大。因此在采用蒸發(fā)器連通器裝置間接監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器水位時(shí)，首先要考慮避免水的粘滯性影響。

3 自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀與評(píng)價(jià)

隨著科技的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試用多種方法解決水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)問(wèn)題。從監(jiān)測(cè)方式可分為直接監(jiān)測(cè)法和間接監(jiān)測(cè)法；從使用的傳感器分類，主要有電測(cè)針?lè)ā⒏∽铀挥?jì)法、超聲波(聲納)法、磁浮法和虹吸稱重法等。需要指出的是，《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》明確要求：自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測(cè)裝置不能對(duì)蒸發(fā)器造成較大破壞，不能對(duì)蒸發(fā)器上方降水、光照、空氣流動(dòng)等造成影響，因此將蒸發(fā)監(jiān)測(cè)設(shè)備置于蒸發(fā)器上方，或者將蒸發(fā)裝置連通水管從蒸發(fā)器水面引出、引入等方式均不符合要求。

3.1 直接監(jiān)測(cè)法

直接監(jiān)測(cè)法是通過(guò)傳感器直接監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器的水位，分析計(jì)算蒸發(fā)量，常用的有電測(cè)針?lè)ê统暡ǚā?/p>

1)超聲波法

該方法是在蒸發(fā)器水下安裝1個(gè)固定的超聲波探頭，通過(guò)發(fā)射脈沖信號(hào)和回波接收監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器水位。該方法受水體物理特性變化、水面波動(dòng)及溫度漂移影響較大，監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性無(wú)法得到保證，所以在國(guó)內(nèi)很少應(yīng)用。

2)電測(cè)針?lè)?/p>

該方法是在蒸發(fā)桶內(nèi)設(shè)置1個(gè)測(cè)針筒，在筒內(nèi)安裝1個(gè)定位測(cè)針，使針頭正好觸及基準(zhǔn)液面。當(dāng)針頭離開液面時(shí)，立即發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)補(bǔ)水裝置進(jìn)行定量補(bǔ)水，根據(jù)總補(bǔ)水量計(jì)算時(shí)段蒸發(fā)量，但該方法受水體物理特性影響較大。①在1個(gè)水文日內(nèi)，通常情況下，從08：00開始蒸發(fā)器水體升溫，夜間水體降溫，水的密度也隨之變化，根據(jù)水體密度對(duì)蒸發(fā)器水位影響的分析，這種方法監(jiān)測(cè)的時(shí)段蒸發(fā)量(比如6 h)是不正確的。1 d之內(nèi)由于升溫和降溫的補(bǔ)償作用，日蒸發(fā)量的監(jiān)測(cè)誤差趨于減小，但是當(dāng)相鄰兩日08：00蒸發(fā)器水體溫差較大時(shí)，無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)精度要求。②該方法電測(cè)針長(zhǎng)期接觸水面，易造成信號(hào)不穩(wěn)定。③微量補(bǔ)水對(duì)補(bǔ)水裝置準(zhǔn)確度要求高，而且微量補(bǔ)水(30 mL)在蒸發(fā)器中運(yùn)行能量極小，敏感度差，會(huì)造成信號(hào)延遲，難于控制；采用150 mL定量補(bǔ)水時(shí)，分辨力為0.5 mm，不能滿足日蒸發(fā)監(jiān)測(cè)精度要求。由于存在諸多因素影響，該方法未得到廣泛應(yīng)用。

3.2 間接監(jiān)測(cè)方法

間接監(jiān)測(cè)方法通常是在蒸發(fā)器下部設(shè)置1個(gè)連通管，連通管連接1個(gè)測(cè)量水桶，通過(guò)水位傳感器測(cè)量水桶水位的變化，間接計(jì)算日蒸發(fā)量?；蛘咴谡舭l(fā)器下部設(shè)置1個(gè)連通管，蒸發(fā)器旁設(shè)置1個(gè)測(cè)量水桶，測(cè)量水桶放置在稱重傳感器上。間接監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了蒸發(fā)器水面波動(dòng)的影響，在一定程度上避免了水體溫度變化的影響，但也帶來(lái)了新的問(wèn)題[5，6]。

1)浮子水位計(jì)法

在測(cè)量水桶中安裝1個(gè)微型浮子，帶動(dòng)多圈電位器，使測(cè)量桶中液位改變轉(zhuǎn)化為電阻變化量，再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字水位信息。通過(guò)獲取的水位信息，間接計(jì)算蒸發(fā)器的蒸發(fā)量。該方法有幾個(gè)主要影響因素：①水體的粘滯性影響。蒸發(fā)器水位有微小變化時(shí)，需要克服水體粘性阻力，才能使蒸發(fā)器水位和測(cè)量水桶水位達(dá)到一致，該方法易造成測(cè)量水桶水位變化滯后或者無(wú)變化，形成監(jiān)測(cè)誤差。②浮子裝置的機(jī)械阻力影響。浮子升降時(shí)，導(dǎo)軌和桶壁之間的摩擦力易使浮子升降受阻，0.1 mm的水位變幅要克服摩擦阻力十分困難，通常情況下微型浮子的分辨力很難達(dá)到1 mm以下。

2)磁浮法

該方法是在測(cè)量水桶中設(shè)置磁致位移傳感器，根據(jù)浮球或浮板上下移動(dòng)監(jiān)測(cè)水位的變化，間接計(jì)算蒸發(fā)量，浮球套裝在桿件上。該方法受水體粘滯性影響，且浮球與桿件之間的摩擦阻力大，敏感性差，分辨力很難控制在1 mm以下；由于浮球和桿件之間存在微小空間，水體壓力變化易造成浮球搖擺，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3)稱重法

該方法是對(duì)測(cè)量水桶直接稱重，間接計(jì)算蒸發(fā)量。稱重傳感器的準(zhǔn)確度高，可以達(dá)到0.1 mm分辨力的要求，但是由于水體的粘滯性影響，蒸發(fā)器水位的微小變化，難以引起測(cè)量水桶水位的變化。

4 自動(dòng)蒸發(fā)監(jiān)測(cè)綜合分辨力的驗(yàn)證

綜合分辨力是指在實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)外部環(huán)境和水體物理特性基本保持不變條件下的分辨力。水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，由于需要克服環(huán)境因素和水體物理特性以及裝置構(gòu)造的影響，其綜合分辨力要達(dá)到0.1 mm十分困難，針對(duì)監(jiān)測(cè)水位計(jì)算蒸發(fā)量的方法，可以通過(guò)加水實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證綜合分辨力。

日蒸發(fā)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的綜合分辨力可以通過(guò)定量加水進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)已安裝蒸發(fā)裝置，可以通過(guò)改變RTU參數(shù)設(shè)置，每分鐘監(jiān)測(cè)1次水位。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)容器向蒸發(fā)器加水0.1 mm(30 mL)，等待10 min，觀察RTU數(shù)據(jù)是否變化。依此方法共進(jìn)行10次加水。反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中分辨力的最大值作為該監(jiān)測(cè)設(shè)備的綜合分辨力，最大滯時(shí)作為該方法的滯時(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章詳細(xì)分析和論述了影響蒸發(fā)觀測(cè)的因素，并對(duì)目前主要使用的幾種自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論：1)現(xiàn)有水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，無(wú)論是直接監(jiān)測(cè)法還是間接監(jiān)測(cè)法，由于需要克服環(huán)境因素和水體物理特性以及裝置構(gòu)造的影響，其綜合分辨力要達(dá)到0.1 mm是十分困難的；2)文章提出了一種通過(guò)加水實(shí)驗(yàn)來(lái)確定綜合分辨力的方法，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，可以鑒別現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)性能；3)符合技術(shù)要求的水面蒸發(fā)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法應(yīng)該具備5個(gè)基本條件：①技術(shù)方法正確、結(jié)構(gòu)合理；②能夠避免自然環(huán)境的影響；③能夠避免水體物理特性的影響；④所用傳感器的分辨力要高；⑤穩(wěn)定性要好。