曾 瑄，馬永力

(南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

我國是一個水資源缺乏而且分配很不均衡的國家。20世紀(jì)后半葉以來，氣候變化以及人類活動導(dǎo)致水資源系統(tǒng)不確定性增強(qiáng)[1]，尤其是近年來我國乃至世界范圍內(nèi)洪災(zāi)、旱災(zāi)不斷出現(xiàn)，防汛抗旱任務(wù)很重。作為我國第一大淡水湖，鄱陽湖是長江流域重要的調(diào)蓄性湖泊，發(fā)揮著調(diào)蓄洪水及保護(hù)生物多樣性等特殊生態(tài)功能，其重要性不言而喻。

江西省內(nèi)有5條河流注入鄱陽湖，再從“湖口”流入長江。然而近年來為鄱陽湖區(qū)提供水源保障的“五河”下游水位，特別是旱期水位呈快速下降趨勢[2]。近幾年來鄱陽湖水位和湖區(qū)河流水位一直處于偏低狀態(tài)，2013年進(jìn)入枯水期后，鄱陽湖降水明顯偏低，加上高溫天氣持續(xù)，蒸發(fā)量增大使得鄱陽湖的水域面積偏小。江西省氣象科學(xué)研究所2013年10月22日通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測，鄱陽湖主體及附近水域面積僅為1 497 km2，比歷史同期偏小約1/4，為近10年來衛(wèi)星遙感測量同期最小水面。極低的水位不僅造成湖區(qū)生活、生產(chǎn)用水困難，而且使湖污水凈化能力下降，同時對鄱陽湖濕地生態(tài)環(huán)境和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響也非常顯著[1-2]。對于鄱陽湖及我國其他流域的蒸發(fā)特征，一些學(xué)者做了相關(guān)的研究，閔騫等分析了近50年鄱陽湖水面蒸發(fā)特征及變化趨勢[3]。郭華等分析了近50年來長江與鄱陽湖水文相互作用的變化趨勢[4]。任國玉等分析了近50年中國水面蒸發(fā)量的變化[5]。就我國目前情況而言，采用一種高精度的蒸發(fā)測量儀，測量鄱陽湖的蒸發(fā)量，研究鄱陽湖的水位變化，是非常必要的。

1 蒸發(fā)遙測系統(tǒng)的現(xiàn)狀

水面蒸發(fā)觀測工作是為了探索水體的水面蒸發(fā)以及蒸發(fā)能力在不同地區(qū)和時間上的變化規(guī)律，從而為水資源的科學(xué)研究和評價(jià)提供可靠的依據(jù)[6-7]。單位時間從水面蒸發(fā)的水量稱水面蒸發(fā)率,以mm/d計(jì),水面蒸發(fā)量可用儀器直接觀測,也可以自動測量。水面蒸發(fā)器設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下幾方面要求:

1)器口必須是圓柱體的，以便保證水面蒸發(fā)面積的一致。

2)蒸發(fā)器本身要保證蒸發(fā)過程跟降水過程隔離，避免雨水進(jìn)入。

3)水面蒸發(fā)器的深度要能達(dá)到太陽照射的作用深度。

4)觀測精度要達(dá)到或者超過對現(xiàn)有測量的精度要求。

5)設(shè)備便于操作。

6)滿足氣象水文觀測的其他要求[8]。

為了精確測量蒸發(fā)量，國家制定了相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，SD256-88《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》要求蒸發(fā)測量誤差要小于0.1 mm。因此，提高蒸發(fā)量測量的準(zhǔn)確率是研究的首要目標(biāo)。目前我國主要使用以下2種蒸發(fā)測量儀器：①采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器以及靜水桶、浮子和平衡錘的方式來測量蒸發(fā)量；②由電磁閥、定位測針及量水桶構(gòu)成的水面蒸發(fā)測量裝置。它們的測量分辨率及準(zhǔn)確率分別為0.1 mm 和 0.3 mm，測量分辨率和準(zhǔn)確度都不太理想。

2 蒸發(fā)測量原理

為滿足水文測量和水資源分析研究的需要，我們選用傳統(tǒng)的測針作為測量用傳感器，利用全新的控制驅(qū)動方法實(shí)現(xiàn)國標(biāo)要求的高精度準(zhǔn)確測量。蒸發(fā)測量系統(tǒng)由蒸發(fā)皿、精密絲桿、滑塊、測針、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動控制電路構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)帶動精密絲桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，引起套在絲桿上的滑塊帶動測針作上下運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)采用4相8拍結(jié)構(gòu)[9]，單步轉(zhuǎn)角1.8°，一周共200步；精密絲桿的螺距是1 mm，電機(jī)一次單步運(yùn)行，測針上下運(yùn)行的距離為0.005 mm，這樣就保證了測量儀測量的分辨率最高可達(dá)到0.005 mm。單片機(jī)作為控制中心，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，如果步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，則測針上行；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，測針就下行。傳感器固定安裝后，設(shè)定點(diǎn)A為基準(zhǔn)水面，測針向下運(yùn)行尋找蒸發(fā)皿的水面，一旦測針觸水，步進(jìn)電機(jī)就停止運(yùn)行，系統(tǒng)自動記錄步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，隨后測針立刻上行，脫水后又下行，用基準(zhǔn)點(diǎn)A的高程減去測針的行程X，就可以得到蒸發(fā)皿水面高度H的值，H可由公式表示為：H=A-X。從上述蒸發(fā)測量原理可知，實(shí)現(xiàn)高精度測量的過程中，基準(zhǔn)水面A的高程由固定點(diǎn)人工測量獲得初始值，其精度容易保證，測量精度的關(guān)鍵取決于測針行程X的測量，影響因素有2點(diǎn)：①步進(jìn)電機(jī)帶動測針的行程計(jì)算；②測針觸水的靈敏度問題[10-11]。

3 帶GPRS無線通信模塊的蒸發(fā)測量儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測針的驅(qū)動方式

第1個影響因素主要由測針的驅(qū)動方式?jīng)Q定。具體要解決2個問題：①單步的精度；②電機(jī)轉(zhuǎn)動的步數(shù)計(jì)數(shù)方法。通過反復(fù)試驗(yàn)，最終將普通絲桿改為海頓科克螺桿組件，螺桿表面采用鈉米材料進(jìn)行處理，有高重復(fù)定位性、運(yùn)行滑順、無噪、成本低的優(yōu)點(diǎn)，特別是具有免維護(hù)、無需加潤滑油的特點(diǎn)，可以從根本上解決滴油影響單步測量精度的問題；同時將原來的3相6拍電機(jī)改為4相8拍，每2步計(jì)數(shù)1次，即每走0.01 mm計(jì)數(shù)一個基本單位，這樣解決了程序計(jì)算帶來的誤差問題，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 傳感器觸水的準(zhǔn)確判斷

第2個影響因素主要由測針的觸水判斷電路決定。該振蕩電路為基本的文氏電橋結(jié)構(gòu)，電橋的其中一個臂由測針觸水的水阻構(gòu)成，為減少干擾，用變壓器耦合的方式連接測針， 電橋的振蕩信號也通過光耦傳遞給單片機(jī)，保證了觸水的準(zhǔn)確起振和脫水的及時停振。單片機(jī)依據(jù)起振信號控制電機(jī)上行，依據(jù)停振信號控制電機(jī)下行，從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)行走的準(zhǔn)確控制。測針觸水振蕩電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測針觸水振蕩電路結(jié)構(gòu)圖

3.3 遙測研究的關(guān)鍵技術(shù)問題

一般遙測系統(tǒng)中，歷史測量數(shù)據(jù)可以保存于各測量儀的存儲器里，也可以通過計(jì)算機(jī)的串行通信接口上傳至計(jì)算機(jī)入庫保存?；跉庀笳军c(diǎn)分布區(qū)域面積大、地面情況復(fù)雜的特點(diǎn)，不適合采用有線的計(jì)算機(jī)通信方式。而隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，基于GPRS的無線通信模塊(DTU)越來越普遍地嵌入到各種儀器儀表中，從而使這些儀器儀表具有遠(yuǎn)程通信功能，更加方便地應(yīng)用于各種多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的場合，系統(tǒng)硬件原理框圖如圖3所示。蒸發(fā)測量儀程序設(shè)計(jì)整機(jī)采用匯編語言完成，主要包含7個模塊：

1)電機(jī)上行、下行計(jì)數(shù)控制程序。

2)10次采樣求平均值程序。

3)數(shù)值分析處理程序。

4)顯示程序。

5)系統(tǒng)監(jiān)控程序。

6)上位機(jī)通信程序。

7)串行通信程序。

DTU連接成功后，便可以和無線數(shù)據(jù)中心互發(fā)數(shù)據(jù)。

圖3 硬件系統(tǒng)原理框圖

4 人工與自動記錄的相關(guān)蒸發(fā)測量數(shù)據(jù)比對

為了對比儀器在正常使用過程中與人工觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性，我們將測量比對工作安排在江西省鄱陽湖水域的XX灌溉試驗(yàn)中心站、XXX水文站2個站點(diǎn)進(jìn)行。為了檢驗(yàn)蒸發(fā)測量儀在正常使用過程中與人工觀測數(shù)據(jù)的對比相關(guān)性，將人工每日早上8點(diǎn)在地面觀測測坑內(nèi)測量的水位變化數(shù)據(jù)作為人工蒸發(fā)量觀測數(shù)據(jù)；同一測坑內(nèi)同時段(早8點(diǎn))由蒸發(fā)測量樣機(jī)測量的水位變化數(shù)據(jù)為儀器自記數(shù)據(jù)。

1)XX灌溉試驗(yàn)中心1 d蒸發(fā)量對比數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 XX試驗(yàn)中心站1 d蒸發(fā)量對比數(shù)據(jù)

從圖4中可以看出，自記平均1 d與人工平均1 d蒸發(fā)量非常接近，誤差較小。XX試驗(yàn)中心站5#稻田自動記錄與人工日蒸發(fā)量對比測量評定表如表1所示。

表1 XX試驗(yàn)中心站5#稻田自動記錄與人工日蒸發(fā)量對比測量評定表

2)XXX水文站5 d、10 d蒸發(fā)量對比資料及相關(guān)性分析分別如圖5～圖8所示。

圖5 XXX水文站5 d蒸發(fā)量對比數(shù)據(jù)

圖6 XXX水文站10 d蒸發(fā)量對比數(shù)據(jù)

圖7 XXX水文站2012-2013年平均5 d相關(guān)圖

分析圖7可得，自記與人工測定的日蒸發(fā)相關(guān)關(guān)系為:Y人工=0.9999X自記，相關(guān)系數(shù)為 0.986，相關(guān)線基本呈45°直線，說明設(shè)備自記測定的5 d平均蒸發(fā)與人工測定的5 d平均蒸發(fā)具有較好的相關(guān)性。XXX水文站蒸發(fā)量自記與人工5 d平均比測成果評定如表2所示。

表2 XXX水文站蒸發(fā)量自記與人工5 d平均比測成果評定表

圖8 XXX水文站2012-2013年平均10 d相關(guān)圖

分析圖8可得，自記與人工測定的日蒸發(fā)相關(guān)關(guān)系為:Y人工=1.0029X自記，相關(guān)系數(shù)為 0.992 1，相關(guān)線基本呈45°直線，也說明設(shè)備自記測定的10 d平均蒸發(fā)與人工測定的10 d平均蒸發(fā)具有較好的相關(guān)性。XXX水文站蒸發(fā)量自記與人工10 d平均比測成果評定如表3所示。

表3 XXX水文站蒸發(fā)量自記與人工10 d平均比測成果評定表

5 創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)采用基于現(xiàn)有手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信組網(wǎng)方式及步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)測量的自動化、遠(yuǎn)程化和現(xiàn)代化，精度可以達(dá)到0.001 cm，提高了精度，把初期網(wǎng)絡(luò)投資及數(shù)據(jù)維護(hù)交給通信公司進(jìn)行，節(jié)約了人力，還節(jié)省了大量的初期投資費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié)束語

目前，我國的很多地區(qū)，包括鄱陽湖水域，在氣象、水文及水資源監(jiān)控信息系統(tǒng)中，已經(jīng)普遍采用了無線數(shù)據(jù)通信方式，尤其是對于地點(diǎn)分散、不易連線的地區(qū)，采用基于現(xiàn)有的手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，可以大大節(jié)省成本。充分利用目前使用的先進(jìn)技術(shù)資源，研究基于無線傳輸方式的儀器儀表傳感器與蒸發(fā)測量系統(tǒng)，對于鄱陽湖流域氣象、水文水資源的相關(guān)測量，具有重要的實(shí)踐意義。

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