勐朗水文站全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)比測

高觀林 郭健

摘? 要：蒸發(fā)量的自動(dòng)監(jiān)測是水文氣象自動(dòng)化建設(shè)的難題，全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)是集補(bǔ)水溢流、定時(shí)稱重、適時(shí)計(jì)算、及時(shí)傳輸為一體的全新系統(tǒng)，在本地區(qū)勐朗水文站安裝應(yīng)用后，同傳統(tǒng)水面觀測的蒸發(fā)量作對(duì)比，獲得了大量的比測數(shù)據(jù)。通過對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行的可靠性、數(shù)據(jù)的精度以及存在的問題進(jìn)行研究分析，得出全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)在理論精度較高的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)及雨量的可靠測量的結(jié)論，具備代替人工蒸發(fā)及雨量測量的潛力，可以推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：勐朗水文站;蒸發(fā)量;全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P332? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0084-02

Abstract： The automatic monitoring of evaporation is a difficult problem in the construction of hydrometeorological automation. The automatic weighing evaporation system is a brand-new system which integrates replenishment overflow， timing weighing， timely calculation and timely transmission. After installation and application in Menglang Hydrological Station in this area， compared with the evaporation of traditional water surface observation， a large number of comparative data have been obtained. Through the research and analysis of the structure， operation reliability， data accuracy and existing problems of the system， it is concluded that the automatic weighing evaporation system can realize the reliable measurement of evaporation and rainfall while having high theoretical accuracy， hence has the potential to replace artificial evaporation and rainfall measurement， and can be popularized and applied.

Keywords： Menglang Hydrological Station; evaporation; automatic weighing evaporation system

1 概述

在水文蒸發(fā)監(jiān)測實(shí)踐中，水面蒸發(fā)量以及降水和水位等多個(gè)水文參數(shù)相同，均為水文測驗(yàn)過程中的重要參數(shù)。同時(shí)，也存在著一定的差異，就自動(dòng)觀測，同時(shí)這也是國內(nèi)外遇到的共同棘手問題。水面蒸發(fā)的測量在蒸發(fā)站進(jìn)行，現(xiàn)有技術(shù)存在著的問題主要表現(xiàn)為水面形狀易變形、不固定，而且水面波動(dòng)對(duì)測量精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而影響其精度，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)真正的無人值守。隨著科技水平的不斷提升，現(xiàn)階段國內(nèi)水文信息化技術(shù)水平不斷提升，同時(shí)降雨量、流量以及水位等監(jiān)測自動(dòng)化水平不斷提升。實(shí)踐中為了進(jìn)一步對(duì)比分析不同類型的水文站情況，我分局在2019年7月引進(jìn)了一套TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)，并在2019年7月開始在勐朗水文站與人工觀測蒸發(fā)開展同步比測工作。

2 選型依據(jù)及市場技術(shù)水平

蒸發(fā)問題：目前市場上大部分自動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)都因傳感器本身誤差大，導(dǎo)致精度要求不能滿足規(guī)范的0.1mm精度，造成蒸發(fā)至今不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，嚴(yán)重影響了水文現(xiàn)代化的進(jìn)程。而TEZ-601自動(dòng)稱重蒸發(fā)系統(tǒng)從原理上解決了這個(gè)問題，采用信號(hào)放大的方法，利用天平的精度使蒸發(fā)的測量精度提高到了100倍，完全解決了傳感器本身誤差大的根源。由于技術(shù)局限性造成蒸發(fā)至今不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，嚴(yán)重影響了水文現(xiàn)代化的進(jìn)程。如TEZ-601全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)果可行、實(shí)用、有效，將為現(xiàn)代水文測驗(yàn)方式理念、新技術(shù)、新應(yīng)用的學(xué)習(xí)和使用提供強(qiáng)有力的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，提高對(duì)新形勢下水文測報(bào)的新需求。

傳統(tǒng)的水面蒸發(fā)量的觀測，都是采用測針在每天08：00定時(shí)進(jìn)行人工觀測[1]，并計(jì)算日蒸發(fā)量。引進(jìn)全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)取代了人工值守觀測，實(shí)現(xiàn)了水面蒸發(fā)量的全自動(dòng)采集、記錄、存儲(chǔ)，其相較于現(xiàn)有的測量方式而言，測量精度更高，配合通信模塊，很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)遙測，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3 全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)的組成及工作原理

3.1 系統(tǒng)組成

全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)由控制箱、稱重蒸發(fā)儀、補(bǔ)水溢流系統(tǒng)、稱重式雨量計(jì)四部分組成，其硬件模塊結(jié)構(gòu)見圖1。

3.1.1 控制箱

控制箱的控制系統(tǒng)主機(jī)是整套系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的工作流程和邏輯處理。控制主機(jī)直接控制蒸發(fā)和雨量的稱重變送模塊和外設(shè)開關(guān)量主控模塊，另外還負(fù)責(zé)與服務(wù)器通訊和數(shù)據(jù)交換。外設(shè)控制模塊主要負(fù)責(zé)蒸發(fā)、雨量、補(bǔ)水溢流系統(tǒng)內(nèi)部的開關(guān)量模塊控制，下發(fā)開關(guān)量指令。通訊模塊GPRS主要是與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳交換。太陽能與充電控制器負(fù)責(zé)對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行供電。

3.1.2 稱重蒸發(fā)儀

稱重系統(tǒng)用于稱量蒸發(fā)皿和雨量桶內(nèi)水的重量，稱重系統(tǒng)包括蒸發(fā)秤、蒸發(fā)秤座和蒸發(fā)秤盤，當(dāng)蒸發(fā)皿/雨量桶被電動(dòng)推桿帶動(dòng)放置在蒸發(fā)秤盤上時(shí)，蒸發(fā)皿/雨量桶應(yīng)當(dāng)不再受到電動(dòng)推桿的力，使其保持自由狀態(tài)下進(jìn)行稱重。稱重傳感器與稱重模塊將測量皿中的水重量傳送給控制系統(tǒng)主機(jī)，由控制主機(jī)通過水的體積和密度關(guān)系計(jì)算出水位變化高度，從而得出E601水位變化高度，以及進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)匯報(bào)。升降裝置與截水閥配合測量皿一起工作，使稱重傳感器始終保持最佳狀態(tài)。

3.1.3 補(bǔ)水溢流系統(tǒng)

該系統(tǒng)配備了一個(gè)60L補(bǔ)水箱，補(bǔ)水箱上部有2臺(tái)高速自吸水泵，一臺(tái)負(fù)責(zé)補(bǔ)水，一臺(tái)負(fù)責(zé)溢流，通過主機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)E601蒸發(fā)皿內(nèi)水面上升到“上警戒高度（軟件設(shè)置）”時(shí)，溢流泵開始啟動(dòng)，將E601蒸發(fā)皿內(nèi)的水抽到補(bǔ)水箱中，直至水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度（軟件設(shè)置）。反之，當(dāng)E601蒸發(fā)皿內(nèi)水面下降到“下警戒高度（軟件設(shè)置）”時(shí)，補(bǔ)水泵開始啟動(dòng)，將補(bǔ)水箱內(nèi)的水抽到E601蒸發(fā)皿中，直至水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度（軟件設(shè)置）。

3.1.4 稱重式雨量計(jì)

為了保證蒸發(fā)的高精度測量，全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)配備了稱重式雨量計(jì)，該雨量計(jì)的精度可以達(dá)到0.01mm，量程可達(dá)80mm/5min。截流閥與溢流閥是截止雨水流入與雨水自動(dòng)溢出的裝置，主要是配合雨量觀測時(shí)間與主機(jī)控制系統(tǒng)邏輯一起工作。雨量內(nèi)的稱重傳感器與稱重模塊將一定時(shí)間內(nèi)的雨水重量傳送給控制系統(tǒng)主機(jī)，由控制系統(tǒng)主機(jī)來計(jì)算雨天蒸發(fā)量，同時(shí)上報(bào)雨量或進(jìn)行其他操作。

3.2 工作原理

全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)依據(jù)傳統(tǒng)E601蒸發(fā)皿基礎(chǔ)上通過連通器的原理，結(jié)合信號(hào)放大方法，采用高精度精密稱重傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)量的測量，蒸發(fā)精度可達(dá)到0.01mm，測量不受風(fēng)雨影響，觀測時(shí)間最小可達(dá)30分鐘。該儀器默認(rèn)的工作模式是“24h”模式，即蒸發(fā)每隔24小時(shí)觀測一次，每次的觀測時(shí)間為早上8：00。系統(tǒng)內(nèi)置9種工作模式，包括8種常規(guī)工作模式和加測模式，能夠看出一天內(nèi)的蒸發(fā)過程圖。勐朗水文站于2019年7月正式進(jìn)入比測階段，采用人工觀測與全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)觀測同步進(jìn)行。本分析報(bào)告從2019年7月18日至2019年12月31日共167天對(duì)人工觀測蒸發(fā)和自動(dòng)遙測蒸發(fā)進(jìn)行了數(shù)據(jù)比測。

4 全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用誤差對(duì)比分析

4.1 月降雨量誤差分析

全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)雨量觀測分辨率很高可以達(dá)到0.01mm，完全安裝水文規(guī)范5分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。通過對(duì)2019年7月18日至2019年12月31日的稱重式雨量計(jì)與人工觀測雨量進(jìn)行了數(shù)據(jù)比對(duì)，自動(dòng)雨量比人工雨量偏小，自動(dòng)雨量精度還是比較有保障的，自設(shè)備安裝比測期間降雨量都很小，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.2日蒸發(fā)量誤差分析

全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)觀測采用2019年7月-2019年12月的日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，誤差<±1.0mm達(dá)83.8%，誤差≥1.0mm僅16.2%，日最大誤差為1.7mm。

4.3 月蒸發(fā)量誤差分析

全自動(dòng)蒸發(fā)觀測采用2019年7月-2019年12月的各月蒸發(fā)總量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，月蒸發(fā)總量最大絕對(duì)誤差-12.5mm，月蒸發(fā)總量最小絕對(duì)誤差0.4 mm。從以上的比測成果的分析結(jié)果可以看出，全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)與人工觀測的蒸發(fā)量誤差較小，符合觀測技術(shù)要求。

5 結(jié)束語

全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)與人工觀測的方法對(duì)同一地測量的降雨量和蒸發(fā)量的差別不明顯，系統(tǒng)自安裝以來穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)過連續(xù)幾天的設(shè)備故障及數(shù)據(jù)中斷問題，這說明全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)的測量結(jié)果在理論精度較高的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)及雨量的可靠測量，具備代替人工蒸發(fā)及雨量測量的潛力。通過對(duì)2019年7月-2019年12月的自動(dòng)觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在同步比測過程中，注意提高比測精度，全自動(dòng)稱重式蒸發(fā)系統(tǒng)觀測所得的日、月蒸發(fā)量完全可以滿足《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》的技術(shù)要求。

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