勐朗水文站全自动称重式蒸发比测

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　　摘  要：蒸发量的自动监测是水文气象自动化建设的难题，全自动称重式蒸发系统是集补水溢流、定时称重、适时计算、及时传输为一体的全新系统，在本地区勐朗水文站安装应用后，同传统水面观测的蒸发量作对比，获得了大量的比测数据。通过对系统的结构、运行的可靠性、数据的精度以及存在的问题进行研究分析，得出全自动称重式蒸发系统在理论精度较高的同時能实现蒸发及雨量的可靠测量的结论，具备代替人工蒸发及雨量测量的潜力，可以推广应用。
　　关键词：勐朗水文站;蒸发量;全自动称重式蒸发系统
　　中图分类号：P332          文献标志码：A         文章编号：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
　　在水文蒸发监测实践中，水面蒸发量以及降水和水位等多个水文参数相同，均为水文测验过程中的重要参数。同时，也存在着一定的差异，就自动观测，同时这也是国内外遇到的共同棘手问题。水面蒸发的测量在蒸发站进行，现有技术存在着的问题主要表现为水面形状易变形、不固定，而且水面波动对测量精度会产生较大的影响，进而影响其精度，同时难以实现真正的无人值守。随着科技水平的不断提升，现阶段国内水文信息化技术水平不断提升，同时降雨量、流量以及水位等监测自动化水平不断提升。实践中为了进一步对比分析不同类型的水文站情况，我分局在2019年7月引进了一套TEZ-601全自动称重式蒸发系统，并在2019年7月开始在勐朗水文站与人工观测蒸发开展同步比测工作。
　　2 选型依据及市场技术水平
　　蒸发问题：目前市场上大部分自动蒸发系统都因传感器本身误差大，导致精度要求不能满足规范的0.1mm精度，造成蒸发至今不能实现自动化，严重影响了水文现代化的进程。而TEZ-601自动称重蒸发系统从原理上解决了这个问题，采用信号放大的方法，利用天平的精度使蒸发的测量精度提高到了100倍，完全解决了传感器本身误差大的根源。由于技术局限性造成蒸发至今不能实现自动化，严重影响了水文现代化的进程。如TEZ-601全自动称重式蒸发系统结果可行、实用、有效，将为现代水文测验方式理念、新技术、新应用的学习和使用提供强有力的科学数据支撑，提高对新形势下水文测报的新需求。
　　传统的水面蒸发量的观测，都是采用测针在每天08：00定时进行人工观测[1]，并计算日蒸发量。引进全自动称重式蒸发系统取代了人工值守观测，实现了水面蒸发量的全自动采集、记录、存储，其相较于现有的测量方式而言，测量精度更高，配合通信模块，很方便地实现远距离数据遥测，同时系统稳定可靠。
　　3 全自动称重式蒸发系统的组成及工作原理
　　3.1 系统组成
　　全自动称重式蒸发系统由控制箱、称重蒸发仪、补水溢流系统、称重式雨量计四部分组成，其硬件模块结构见图1。
　　3.1.1 控制箱
　　控制箱的控制系统主机是整套系统的神经中枢，主要负责整套系统的工作流程和逻辑处理。控制主机直接控制蒸发和雨量的称重变送模块和外设开关量主控模块，另外还负责与服务器通讯和数据交换。外设控制模块主要负责蒸发、雨量、补水溢流系统内部的开关量模块控制，下发开关量指令。通讯模块GPRS主要是与服务器进行数据透传交换。太阳能与充电控制器负责对整套系统进行供电。 　　3.1.2 称重蒸发仪
　　称重系统用于称量蒸发皿和雨量桶内水的重量，称重系统包括蒸发秤、蒸发秤座和蒸发秤盘，当蒸发皿/雨量桶被电动推杆带动放置在蒸发秤盘上时，蒸发皿/雨量桶应当不再受到电动推杆的力，使其保持自由状态下进行称重。称重传感器与称重模块将测量皿中的水重量傳送给控制系统主机，由控制主机通过水的体积和密度关系计算出水位变化高度，从而得出E601水位变化高度，以及进行下一步的数据汇报。升降装置与截水阀配合测量皿一起工作，使称重传感器始终保持最佳状态。
　　3.1.3 补水溢流系统
　　该系统配备了一个60L补水箱，补水箱上部有2台高速自吸水泵，一台负责补水，一台负责溢流，通过主机进行自动控制。当E601蒸发皿内水面上升到“上警戒高度（软件设置）”时，溢流泵开始启动，将E601蒸发皿内的水抽到补水箱中，直至水位达到预设高度（软件设置）。反之，当E601蒸发皿内水面下降到“下警戒高度（软件设置）”时，补水泵开始启动，将补水箱内的水抽到E601蒸发皿中，直至水位达到预设高度（软件设置）。
　　3.1.4 称重式雨量计
　　为了保证蒸发的高精度测量，全自动称重式蒸发系统配备了称重式雨量计，该雨量计的精度可以达到0.01mm，量程可达80mm/5min。截流阀与溢流阀是截止雨水流入与雨水自动溢出的装置，主要是配合雨量观测时间与主机控制系统逻辑一起工作。雨量内的称重传感器与称重模块将一定时间内的雨水重量传送给控制系统主机，由控制系统主机来计算雨天蒸发量，同时上报雨量或进行其他操作。
　　3.2 工作原理
　　全自动称重式蒸发系统依据传统E601蒸发皿基础上通过连通器的原理，结合信号放大方法，采用高精度精密称重传感器实现对蒸发量的测量，蒸发精度可达到0.01mm，测量不受风雨影响，观测时间最小可达30分钟。该仪器默认的工作模式是“24h”模式，即蒸发每隔24小时观测一次，每次的观测时间为早上8：00。系统内置9种工作模式，包括8种常规工作模式和加测模式，能够看出一天内的蒸发过程图。勐朗水文站于2019年7月正式进入比测阶段，采用人工观测与全自动称重式蒸发系统观测同步进行。本分析报告从2019年7月18日至2019年12月31日共167天对人工观测蒸发和自动遥测蒸发进行了数据比测。
　　4 全自动称重式蒸发系统应用误差对比分析
　　4.1 月降雨量误差分析
　　全自动称重式蒸发系统雨量观测分辨率很高可以达到0.01mm，完全安装水文规范5分钟进行一次数据采集。通过对2019年7月18日至2019年12月31日的称重式雨量计与人工观测雨量进行了数据比对，自动雨量比人工雨量偏小，自动雨量精度还是比较有保障的，自设备安装比测期间降雨量都很小，有待进一步验证。
　　4.2日蒸发量误差分析
　　全自动称重式蒸发系统观测采用2019年7月-2019年12月的日蒸发量数据进行分析，误差<±1.0mm达83.8%，误差≥1.0mm仅16.2%，日最大误差为1.7mm。
　　4.3 月蒸发量误差分析
　　全自动蒸发观测采用2019年7月-2019年12月的各月蒸发总量数据进行分析，月蒸发总量最大绝对误差-12.5mm，月蒸发总量最小绝对误差0.4 mm。从以上的比测成果的分析结果可以看出，全自动称重式蒸发系统与人工观测的蒸发量误差较小，符合观测技术要求。
　　5 结束语
　　全自动称重式蒸发系统与人工观测的方法对同一地测量的降雨量和蒸发量的差别不明显，系统自安装以来稳定，没有出现过连续几天的设备故障及数据中断问题，这说明全自动称重式蒸发系统的测量结果在理论精度较高的同时能实现蒸发及雨量的可靠测量，具备代替人工蒸发及雨量测量的潜力。通过对2019年7月-2019年12月的自动观测数据与人工观测数据对比分析，在同步比测过程中，注意提高比测精度，全自动称重式蒸发系统观测所得的日、月蒸发量完全可以满足《水面蒸发观测规范》的技术要求。
　　参考文献：
　　[1]中华人民共和国水利行业标准.SL 630-2013水面蒸发观测规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013.
　　[2]周明华，黄俊，黄新平.FFZ-01Z型数字式水面自动蒸发站的实际应用[J].资源节约与环保，2015（3）：107-112.
　　[3]阮川平，韦广龙.ZFZ-01数字式水面蒸发自动站在南宁水文站的应用[J].广西水利水电，2011（03）：42-44.
　　[4]黄江辉，丁奕，许伟强.一种自动蒸发器的应用试验分析[J].浙江水利科技，2015（5）：99-103.
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