CJH-E1型降雨蒸發系統的應用與實踐

陳興農 李儀 張德佩 湯黎明 肖博文

摘 ?要：為有效實現蒸發的自動記錄與存儲，長江委水文局研制生產的CJH-E1型降雨蒸發系統，具有計量精準、結構簡單、操作便捷、運行穩定等優點。該文介紹了該系統的結構、性能、工作過程及簡易操作流程。并以黃家港水文站的比測為例，分別以天、月為單位，分析了該系統的降雨、蒸發誤差，從而計算出單月、總量的平均誤差，能夠滿足《水面蒸發觀測規范》。為該系統的順利投產提供了理論與實踐依據。

關鍵詞：蒸發系統 ?結構 ?原理 ?比測分析

中圖分類號：P332 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2020）11（b）-0062-05

Abstract： In order to effectively realize the automatic recording and storage of evaporation， cjh-e1 rainfall evaporation system developed by Hydrological Bureau of Yangtze River Commission has the advantages of accurate measurement， simple structure， convenient operation and stable operation. This paper introduces the structure， performance， working process and simple operation flow of the system. Taking huangjiagang hydrological station as an example， the rainfall and evaporation errors of the system are analyzed in the unit of days and months， so as to calculate the average error of single month and total amount， which can meet the requirements of "water surface evaporation observation specification". It provides a theoretical and practical basis for the smooth operation of the system.

Key Words： Evaporation system; Structure; Principle; Comparative analysis

黃家港水文站位于丹江口大壩下游6km處，是大壩的出庫控制站，多年來，為丹江口水庫下泄流量、生態調水，以及漢江中下游防汛抗旱起到了尖兵和耳目的作用。該站的蒸發觀測為丹江口水庫的水量平衡、氣象因子分析等提供了理論依據。隨著長江水文自動化、信息化的建設，如何實現蒸發觀測的自動采集、存儲等一直困擾著水文基層職工。經長江委水文局技術中心研制并生產的CJH-E1型降雨蒸發系統，自2018年在該站投入運行以來，一直較穩定，并成功收集了完整的比測資料。經分析，其平均偏差滿足《水面蒸發觀測規范》規范要求。

1 ?CHJ-E1型降雨蒸發器主要性能

1.1 蒸發器構造

CJH-E1型降雨蒸發系統由E601B蒸發皿、數字式雨量計、蒸發測量傳感器、采集控制器、給排水設備、數據傳輸及供電設備組成。

其中蒸發系統由E601B蒸發器（溫度傳感器、蒸發測針）、蒸發器給排水設備組成，雨量采集設備由承雨口、雨量筒、雨量傳感器以及給排水設備組成。

1.2 工作模式

CHJ-E1型降雨蒸發系統可滿足人工觀測與儀器自記，其中E601B蒸發器水面高度利用測針進行人工觀測，觀測時測針放置在蒸發桶外壁的測針底座上，調節測針高度使得測針針尖剛好接觸水面，此時測針讀數即為水面高度。記錄單位觀測時間內液面高度差，即可得蒸發量。

蒸發量自記系統也利用E601B蒸發器，通過連通管與蒸發測量筒相連，蒸發器液面高度改變會影響測量筒內浮球位置，使傳感器記錄數據。降雨自記系統傳感器通過雨量筒液面變化記錄雨量。在降雨期間，采集該時段累計降雨量，降雨結束后，控制器以蒸發桶內水位數據扣除降雨量，并將該水位作為量測下一時段蒸發量的起點。自記系統傳感器采用磁致伸縮傳感器，測驗量程均為330 mm，精度為0.01 mm，滿足水文測驗規范。

在安裝降雨、蒸發器的測量桶時采用單點懸掛結構，保證測量筒一直處于鉛直狀態，確保測量記錄精度。

1.3 主要性能特點

（1）該系統采用行業最先進的傳感器，分辨力達10 μm，完全滿足水文氣象行業蒸發和降雨觀測規范要求。

（2）采用抗風浪設計，大大減小了風浪因素干擾造成的測量誤差，既適合陸地水面蒸發量監測，也適合大水體水面蒸發量監測。

（3）雙傳感器互補測量，計量精度不受降雨強度影響。

（4）友好的用戶訪問解決方案，可以通過手機發送短信指令，查詢系統工作狀態。

（5）超低功耗設計，38 Ah的蓄電池供電，在不充電的情況下可以持續工作1個月以上。

（6）監測數據既可以采用有線方式傳輸，也可以無線方式傳輸，安裝方便靈活。

2 ?系統安裝調試

該蒸發系統由太陽能浮充，12 V鉛酸蓄電池供電，控制器根據規定的任務，定時采集電池電壓、雨量傳感器液位高度、蒸發傳感器液位高度、水溫等信息，并根據需要將采集的信息發送到數據接收平臺，數據接收平臺根據各個時刻的容器液位值，計算日降雨量和日蒸發量。

2.1 蒸發安裝

蒸發系統主要包括蒸發器、蒸發測量筒、給排水系統的安裝調試。

測量筒的安裝：測量筒安裝應盡量保持豎直，安裝時可以在筒上標最高水位線H4（近似和蒸發器的溢流孔等高）和最低水位線H1（在溢流表孔下方6 cm），以便后期維護比測，也可以在蒸發器內壁標上同樣的水位線。可以通過充水試驗來確定水位線的位置。該蒸發系統沒有溢流筒，為了準確計量，溢流孔應該用橡皮塞堵住。

補水桶的安裝：補水桶和連通器之間設置有補水閥，正常工作時處于關閉狀態，需要補水時閥門自動打開給連通器補水（補水閥直接與自來水管相連）。

蒸發人工排水閥的使用：系統維護時，當需要降低連通器的水位時，可打開人工排水閥。清洗蒸發測量筒時關閉清洗閥，打開蒸發人工排水閥可以排除污水。

清洗閥的使用：清洗E601B蒸發器時，可以關閉清洗閥防止空氣進入連通管路形成栓塞，避免測量數據失真，另外還可以根據實際情況調節人工閥的開度，減小測量誤差。

整個蒸發液位工作過程如圖2所示，蒸發采集管路部分主要由蒸發傳感器、測量筒、連通閥、蒸發人工排水閥、蒸發自動排水閥、補水閥、清洗閥、E601B蒸發器等組成。正常工作時連通閥和清洗閥處于打開狀態，其他閥門處于關閉狀態，蒸發器和測量筒構成一個連通器，確保E601B蒸發器與蒸發測量筒的液位高度一致。當由于太陽或者風的原因，E601B蒸發器里面的液位降低時，蒸發測量筒的液位相應地降低。

2.2 雨量安裝

圖2左側部分是雨量采集設備結構示意圖，主要由承雨口、導流管、雨量傳感器、雨量筒、雨量自動排水閥、雨量人工排水閥等組成。

在安裝過程中要根據相關規范要求，承雨口必須水平安裝。雨量導流管上端和承雨口漏斗末端連接，下端和雨量筒的進水口連接，連接部位應做到密封。

排水管及閥門的安裝：雨量筒的最下端有排水孔，雨量人工排水閥、雨量自動排水閥和雨量筒最下端的排水孔通過三通相連，各水管接頭處應該密封。平時各閥門處于關閉狀態，當筒內水位達到預定高度時雨量自動排水閥將會打開啟動排水，水位高度降低到預定高度時，閥門會自動關閉。清洗雨量筒時可以打開雨量人工排水閥以排除污水，清洗完畢閥門應關閉。

為了保證測量精度，雨量筒應盡可能豎直。該系統通過重力作用來保證雨量筒處于豎直狀態。

2.3 系統調試

蒸發連通器水面初始化后有少許空氣滯留在管路中容易形成栓塞影響水的流動性，需要進行“排氣”操作。圖2右側蒸發器中的水經過清洗閥后分成兩路，一路通往蒸發自動排水閥和補水閥用作給排水管，另一路通往測量筒形成連通器，使用時這2根管子可以互換。通?？諝馑ㄈ麑τ米鹘o排水的管路影響小，可以不排氣，只用對連通管進行排氣操作。如圖2所示，排氣分向左排氣和向右排氣兩步進行。

（1）向左排氣。完成向E601B蒸發器注水后，如圖2所示打開蒸發人工排水閥，讓水從E601B沿管路流出，沖出管中氣泡。為了提高水流速度使排氣更徹底，可以在排水閥末端接一截硅膠軟管，使管口下垂，提高排水水頭以提高水流速度。

（2）向右排氣。有時由于管路敷設不平向左排氣不徹底需要向右排氣，即水流從人工排水閥流入到E601B蒸發器中。如圖3所示向右排氣示意圖左側，備好一桶水（水量大于10 L）和一根虹吸管，將水桶放置在儀器柜頂上，虹吸管一段放在水桶中啟動虹吸管使水流出，打開蒸發人工排水閥使水流出，然后將虹吸管的另一端接在人工排水閥的管口實現向右排氣，待水快吸完時關閉排水閥即可。為了排氣徹底，可以提高水桶高度以提高虹吸速度。向右排氣應避免虹吸管中的空氣流入連通管形成新的空氣栓塞。

3 ?系統設置

系統管路安裝完畢后應給雨量筒和蒸發器內的水面進行初始化設置，方法具體如下。

緩慢給雨量筒注水，直到水面高度剛好超過容器P1刻度線（為了人工觀讀方便容器上貼有刻度尺，P1刻度線一般在3 cm刻度位置）。

向E601B蒸發器注水（注意打開清洗閥、連通閥、關閉蒸發人工閥門），直到水面高度達到溢流孔的位置，等待2 min確保測量筒和蒸發筒液面高度一致，此時的水位線為系統工作時的最高水位線H4，待設備上電后記錄下此時的傳感器液位讀數，供設置“最高限制水位”參數時用，貼上刻度紙以便人工觀測比較。容器水面進行初始化結束后應仔細觀察各水管接頭處是否有漏水現象，管路漏水將導致測量結果失真。

4 ?比測分析

自2018年9月CJH-E1型降雨蒸發系統在長江委水文漢江局投入使用以來，測站安排專人負責系統的運行，并收集了詳細的比測資料，其比測結果分析如下（其中自記蒸發或人工數據觀測不全的日期沒有納入比測）。

4.1 當日雨量與蒸發比測分析

以剛開始運行的當月數據為例進行每天的雨量和蒸發量分析，自2018年9月14日至2018年9月30日共17個樣本，具體見表1。

當日降雨范圍為0.4～18.9 mm，總降雨量為66.3mm（以人工觀測的為準），與人工觀測想比較，誤差最大了4.64%，平均相對誤差為0.41%。每日蒸發量從0.2～4.1 mm，總蒸發量為35.4 mm（以人工觀測的為準），與人工觀測想比較，誤差最大為-8.31%，平均相對誤差為-1.98%。平均相對偏差小于國家標準《水面蒸發觀測規范》（GB/T 21327-2007）相對偏差不超過±3%的要求。

4.2 以月為單位分析比測

以月為單位，對當月的降雨和蒸發量進行分析，選取的時間段為2018年9月至2019年6月，共10個月的樣本，其結果見表2。

總降雨量為433.2 mm（以人工觀測的為準），當月誤差最大為-6.45%、當月誤差最小為-0.13%，平均相對誤差為0.50%;總蒸發量510.9 mm（以人工觀測的為準），當月誤差最小為-0.46%，當月誤差最大為-3.95%，平均相對誤差為1.98%。平均相對偏差小于國家標準《水面蒸發觀測規范》（GB/T 21327-2007）相對偏差不超過±3%的要求。

以上兩組比測分析數據說明，在儀器運行正常的情況下，CJH-E1型雨量蒸發系統的數據與人工觀測的比較，其平均相對偏差能滿足《水面蒸發觀測規范》規范要求，小于±3%的誤差范圍。

5 ?結語

CJH-E1型降雨蒸發系統自安裝以來，經過系統的調試、比測等工作，達到了理想的效果。特別是該系統運行的穩定性，既減輕了測站人員的觀測勞動強度，又確保了數據的連續性、完整性。充分實現了水利水文自動化的建設要求，為下一步丹江口水庫的水量平衡、探求蒸發器折算系數、水面蒸發經驗公式及氣象因子與蒸發量的關系等提供科學的參考依據，為水資源研究、降雨徑流預報等提供水面蒸發及其附屬項目的基礎數據。

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