李紹坤

（河北省唐山水文勘測(cè)研究中心，河北 唐山 063000）

蒸發(fā)觀測(cè)要求數(shù)據(jù)比較嚴(yán)格，同時(shí)蒸發(fā)數(shù)據(jù)又受外部環(huán)境因素影響較大，尤其是下雨天，下雨濺出水滴會(huì)造成稱重?cái)?shù)出現(xiàn)誤差。人工稱重在實(shí)際應(yīng)用中受環(huán)境影響較大，故在追求實(shí)時(shí)性的同時(shí)，對(duì)日常觀測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)方式進(jìn)行了更改，以自動(dòng)觀測(cè)逐步替代人工觀測(cè)，自動(dòng)觀測(cè)受外部環(huán)境因素影響小，從而保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文對(duì)6—10 月FFZ-01Z自動(dòng)水面蒸發(fā)站（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)蒸發(fā)站）自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 自動(dòng)蒸發(fā)站組成及工作原理

1.1 自動(dòng)蒸發(fā)站組成

自動(dòng)蒸發(fā)站由FFZ-01型數(shù)字水面蒸發(fā)計(jì)（以下簡(jiǎn)稱數(shù)字蒸發(fā)計(jì)）、JFZ-01 型數(shù)字雨量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱數(shù)字雨量計(jì)）、自動(dòng)補(bǔ)水裝置、采集控制柜（以下簡(jiǎn)稱采集器）、上位機(jī)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成。

自動(dòng)蒸發(fā)站的數(shù)字蒸發(fā)計(jì)、數(shù)字雨量計(jì)的分辨率為0.1 mm，溢流量分辨率為0.01 mm，符合水文行業(yè)水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范的要求［1］，導(dǎo)出的降水量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)表格形式符合水文資料整編程序要求，從而取代繁瑣的人工觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)量的自動(dòng)觀測(cè)、記錄。此自動(dòng)水面蒸發(fā)站只用于4—10 月，其他月份依然采用20 cm蒸發(fā)器觀測(cè)。

1.2 自動(dòng)蒸發(fā)站工作原理

自動(dòng)蒸發(fā)站共有2 個(gè)基本功能即蒸發(fā)量觀測(cè)及降雨量觀測(cè)。通過采集器采集、處理、顯示蒸發(fā)量、降雨量、溢流量以及當(dāng)前平滑水位。采集器通過RS485/232 的通信接口分別與RTU 及遠(yuǎn)端傳輸系統(tǒng)相連接［2］，實(shí)現(xiàn)水面蒸發(fā)過程遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及蒸發(fā)數(shù)據(jù)下載整編錄入的目標(biāo)。

蒸發(fā)桶水位高度保持在水位標(biāo)志線上，一般蒸發(fā)桶水位在70 ～90 mm。當(dāng)沒有降雨時(shí)，通過蒸發(fā)桶水位高度的變化計(jì)算當(dāng)日蒸發(fā)量。當(dāng)蒸發(fā)桶內(nèi)水位低于70 mm 時(shí)，補(bǔ)水泵會(huì)在觀測(cè)日分界時(shí)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)水，使桶內(nèi)水位恢復(fù)至標(biāo)志線高度，待補(bǔ)水后水位平穩(wěn)，自動(dòng)蒸發(fā)儀器會(huì)進(jìn)行下一時(shí)段的蒸發(fā)量計(jì)算。

當(dāng)出現(xiàn)降雨時(shí)，蒸發(fā)桶內(nèi)水位升高至最大數(shù)值（標(biāo)志線以上10 mm），電磁閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，采集器記錄當(dāng)前水面高度，排水泵工作將多余水排出，當(dāng)水位降到允許范圍內(nèi)時(shí)，排水泵關(guān)閉，采集器記錄當(dāng)前水面高度，計(jì)算出此次水位的高度差，根據(jù)橫截面算出此次的溢流量，最后再打開電磁閥等待下次溢流情況的出現(xiàn)。

根據(jù)《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，蒸發(fā)量的計(jì)算公式為蒸發(fā)量=（蒸發(fā)桶前一時(shí)段水位值-蒸發(fā)桶本時(shí)段水位值）+降水量-溢流量[3]，即：

式中：E為水面蒸發(fā)量（mm）；h1為蒸發(fā)桶前一時(shí)段水位值（mm）；h2為蒸發(fā)桶本時(shí)段水位值（mm）；h1，h2值由數(shù)字蒸發(fā)計(jì)自動(dòng)測(cè)量；p為被測(cè)時(shí)段內(nèi)的降水量（mm），由數(shù)字雨量計(jì)提供；q為被測(cè)時(shí)段內(nèi)的溢流量（mm），由測(cè)井自動(dòng)測(cè)量。

數(shù)字雨量計(jì)由承雨器組件、筒身、底座、降水開關(guān)組件、測(cè)量組件、泄水電磁閥等組成，分辨率0.1 mm，承雨口直徑200+0.60 mm，刃口銳角40°～45°，降雨強(qiáng)度測(cè)量范圍0.01～8 mm/min。其依靠浮子輸出信號(hào)：①RS485 接口，輸出實(shí)時(shí)累計(jì)降雨量、雨量編碼器真值、相關(guān)報(bào)警信號(hào)；②脈沖接口，每0.1 mm 降雨量繼電器輸出觸點(diǎn)接通1 次，接通時(shí)間100 ms，最小間隔400 ms，接點(diǎn)容量≤24VDC/0.2A，雨量存儲(chǔ)容量大于3000 mm或大于1.5 a。

降雨由數(shù)字雨量計(jì)承雨器取樣收集，經(jīng)降水開關(guān)組件進(jìn)入測(cè)量組件中的計(jì)量筒，持續(xù)降雨引起計(jì)量筒內(nèi)水位升高，計(jì)量筒內(nèi)浮子隨之升高，帶動(dòng)測(cè)輪驅(qū)動(dòng)光電編碼器同步旋轉(zhuǎn)，編碼器即可輸出與降水高度相對(duì)應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)?？刂齐娐纷詣?dòng)識(shí)別筒內(nèi)水面高度，當(dāng)筒內(nèi)水面上升到設(shè)定高水位值時(shí)打開泄水電磁閥泄水，使水面迅速降至設(shè)定的低水位值上，然后自動(dòng)關(guān)閉泄水電磁閥，繼續(xù)工作。同時(shí)，控制電路自動(dòng)記錄泄水后水位高度及泄水期間的翻斗次數(shù)，計(jì)算泄水期間的降水量，并做插補(bǔ)記錄。隆水開關(guān)組的翻斗作用是產(chǎn)生“降雨開始/雨?！毙盘?hào)，并參考其翻動(dòng)頻率計(jì)算雨強(qiáng)和泄水期間的降雨補(bǔ)償以及傳感器喚醒控制信號(hào)［4］。

2 自動(dòng)蒸發(fā)站數(shù)據(jù)處理

自動(dòng)蒸發(fā)站與GPRS 數(shù)據(jù)傳輸裝置連接組成遙測(cè)站，采集器通過RS485接口和PC 端相連接進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)可以記錄顯示當(dāng)天及前兩天的蒸發(fā)值、雨量值、雨量累加值、溢流量、平滑水位、前一時(shí)蒸發(fā)值。PC 端利用Access 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印。通過PC 端蒸發(fā)軟件還可以修改設(shè)備通信地址，標(biāo)定時(shí)間和日分界等系統(tǒng)值。

2.1 采集器收集數(shù)據(jù)

采集器具有實(shí)時(shí)記錄蒸發(fā)數(shù)據(jù)功能，可存儲(chǔ)約10 a 的數(shù)據(jù)，當(dāng)遇到斷電時(shí)具有保護(hù)數(shù)據(jù)功能。蒸發(fā)數(shù)據(jù)采用循環(huán)記錄方式，顯示的是最近3 d的蒸發(fā)情況，3 d之前的蒸發(fā)數(shù)據(jù)被覆蓋。蒸發(fā)數(shù)據(jù)每小時(shí)記錄1次，每條記錄數(shù)據(jù)包括當(dāng)前記錄的日期時(shí)間、蒸發(fā)量、溢流量、降雨量、水溫、平滑水位、各設(shè)備工作狀態(tài)、電源電壓等，如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)信息顯示

圖1 中蒸發(fā)值、雨量值、溢流量值、水位值單位均為mm，電壓值單位為V，溫度值單位為℃。

2.2 PC端處理數(shù)據(jù)

PC 端與蒸發(fā)觀測(cè)設(shè)備連接可以有2 種方式：485總線和網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)。這2種方式只能選擇其中1種，485 總線通信距離小于1000 m，網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)通信距離小于20000 m。陡河水庫(kù)站采用的是網(wǎng)絡(luò)光端機(jī)與PC端相連，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性要求比較高。

通過PC端軟件，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒸發(fā)值、降雨值、溢流量、蒸發(fā)累加值等數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以將這些采集到的數(shù)值下載制成表格形式，供后期整編工作使用。

3 自動(dòng)蒸發(fā)站應(yīng)用實(shí)例

陡河水庫(kù)站于2015 年引進(jìn)該自動(dòng)設(shè)備，并在同年進(jìn)行了人工與自動(dòng)的比測(cè)，自動(dòng)儀器從開始運(yùn)行一直處于最佳狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤，可以作為分析資料。這里，主要對(duì)6—10 月進(jìn)行了逐月比測(cè)，比測(cè)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 陡河水庫(kù)站自動(dòng)蒸發(fā)站與人工觀測(cè)蒸發(fā)量比測(cè)mm

表1 中人工數(shù)值均由實(shí)際人工值乘以相關(guān)系數(shù)得到，6—10 月人工與自動(dòng)觀測(cè)月蒸發(fā)總量最大誤差為2.9 mm，最小誤差為-1.1 mm；月最大誤差為0.4 mm，月最小誤差為0。從比測(cè)的成果可以看出，自動(dòng)蒸發(fā)站自動(dòng)觀測(cè)值與人工觀測(cè)值誤差較?。?］，符合《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》的規(guī)定。

自動(dòng)蒸發(fā)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)水庫(kù)管理中心計(jì)算水庫(kù)日消耗量有很大用處，為水庫(kù)精準(zhǔn)化調(diào)水起到積極作用。為確保數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，水庫(kù)雨量數(shù)據(jù)一直采用人工與自動(dòng)比測(cè)方式進(jìn)行，以確保數(shù)據(jù)不出差錯(cuò)，同時(shí)防止出現(xiàn)設(shè)備故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)漏采。自動(dòng)蒸發(fā)站基本實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)站蒸發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也再次得到認(rèn)證，為水庫(kù)站精準(zhǔn)開展防汛調(diào)水工作起到數(shù)據(jù)支撐作用，同時(shí)進(jìn)一步推動(dòng)了水文監(jiān)測(cè)方式向自動(dòng)化方向邁進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)蒸發(fā)站的使用在實(shí)現(xiàn)水文觀測(cè)自動(dòng)化的同時(shí)，極大地提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，減少了人工任務(wù)量，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)，使水文監(jiān)測(cè)方式與時(shí)俱進(jìn)，更好地為防汛提供有力數(shù)據(jù)。同時(shí)，該自動(dòng)蒸發(fā)站在實(shí)際工作中也存在一些不足：①當(dāng)水位低于70 mm 時(shí)補(bǔ)水泵會(huì)自動(dòng)打開進(jìn)行補(bǔ)水，但不足之處在于補(bǔ)水桶的水需要人工加水，今后是否考慮直接通過補(bǔ)水桶連接自來水管線，由補(bǔ)水桶內(nèi)的浮球閥自動(dòng)控制進(jìn)水（本身設(shè)備有此功能，只是本站未使用）；②水圈中的水不能夠自動(dòng)更換，長(zhǎng)此以往水圈內(nèi)水會(huì)變少且可能變質(zhì)，需要人工操作解決，未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化；③設(shè)備隨著時(shí)間推移出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)不準(zhǔn)確的情況，或快或慢，蒸發(fā)數(shù)值采集點(diǎn)（尤其是每日8時(shí)這一時(shí)間點(diǎn)）存在一定的誤差；④目前該自動(dòng)蒸發(fā)站僅限于4—10 月使用，氣溫較低時(shí)的使用問題還需解決，從而達(dá)到全年水文自動(dòng)化觀測(cè)的目的。