FFZ-01Z 型數字式水面自動蒸發站的實際應用

周明華 黃俊 黃新平

（1湖北省武漢市水文水資源勘測局 湖北武漢 430074 2湖北省宜昌市水文水資源勘測局 湖北宜昌 443003）

“自動水面蒸發站”的定義是指由組成蒸發站的蒸發計將蒸發桶內的水位轉化成數字量，雨量計提供降雨量，數據采集控制柜負責計算蒸發量和溢流量并且控制溢流裝置和補水裝置的運行，實現了無人值守、全自動數字化的水面蒸發量觀測站。

當前應用廣泛的FFZ-01Z型蒸發站設計的雨量計和蒸發計分辨率分別為0.1mm，溢流量的分辨率為0.01mm，符合相關技術規范的要求。自動蒸發設備采集到的降水量和蒸發量數據是以電子表格的形式輸出，在整編程序中可以直接應用。FFZ-01Z型自動水面蒸發應用的范圍廣泛，實用于各種類型需求的面蒸發觀測站。水面蒸發量的觀測,以往都是采用人工操作,一般每日進行1~2次觀測，自動水面蒸發取代了人工值守觀測而實現水域水文蒸發量的自動采集、記錄、存儲。此外該設備還具備通信的功能。FFZ-01Z型蒸發站可與GPRS數據傳輸裝置連接組成遙測站，數據可通過無線傳輸出去。

1 FFZ-01Z 型數字式水面蒸發站系統的組成及工作原理

FFZ-01Z型蒸發站的蒸發計設計是根據水文站網上常用的水面蒸發器設備E-601型蒸發器研發的。它所有的構造極其原理是按照《水面蒸發觀測規范》來設計的。所得出的蒸發量等同于E-601型蒸發器的蒸發量。

FFZ-01Z型數字式水面蒸發站系統（以下稱“蒸發站”或“系統”）由數字水面蒸發計（以下稱蒸發計）、JFZ-01型數字雨量計（以下稱雨量計）、自動補水裝置、采集控制柜(以下稱采集器)、上位機系統和供電系統組成。

本蒸發站系統的觀測工具為蒸發計和雨量計，利用智能采集器自動采集、處理、顯示出蒸發量、降水量和溢流等信息，自動控制溢流和排水過程。采集器通過RS485/232通信接口分別與上位機系統、數傳通信機（RTU）連接，利用系統配套的應用軟件可以實現水面蒸發過程信息的遠程監測及資料整編的需求。

當前廣泛投入使用的蒸發站的蒸發桶內水位高度應保持在水位標志線（80mm）以上。一般觀測的水位在（70mm～90mm）之間。

當無降水日時，采集器將根據自動采集的蒸發桶內水位高度與上一時段采集的蒸發值來計算蒸發量。當觀測到蒸發桶內水位高度降至水位標志線10mm以下時，采集器會自動在觀測日分界時間控制補水泵工作，給蒸發桶、水圈自動補水，使蒸發桶內的水位恢復至規定的水位標志線高度，再用補水后穩定的水面高度作為觀測的起測點，用來測量下一時段的蒸發量。

當有降水時，蒸發桶水位升高至水位標志線10mm以上時，采集器的驅動電磁閥門關閉，記錄此時的水面高度，溢流泵工作排出測井中的水，當測井中的水面下降到一定高度時，溢流泵停止工作，采集器記錄此時的水面高度，此時記錄器計算此次排水的高度差，從而根據測井的橫截面積計算出此次的溢流量，采集器再打開電磁閥等待下次溢流。

根據業內《水面蒸發觀測規范》的規定，水文蒸發量的計算公式為：

蒸發量=（蒸發桶上一時段的測量水位高度-本時段蒸發桶水位測量高度）+降水量-溢流量

一般情況下日蒸發量按以下式計算：

式中：E:表示水面蒸發量，單位：mm

h1：蒸發桶上一時段的測量水位高度（單位：mm）

h2：本時段蒸發桶水位測量高度（單位：mm）

h1、h2值由FFZ-01Z型數字水面蒸發計自動測量

p：表示被測時段內的降水量，由JFZ-01Z型數字雨量自動測量（單位：mm）

q：表示被測時段內的溢流量，由測井自動測量（單位：mm）

蒸發計可以在不改變蒸發桶周圍自然環境的情況下實時測量蒸發桶內水位變化。蒸發計將測量的蒸發桶內水位變化轉換為數字量提供給采集器，采集器根據蒸發計提供的蒸發桶水位變化以及雨量、溢流等數據綜合計算出蒸發量。由于使用的是聯通容器，導致蒸發器容積增大。所以當E-601型蒸發器的水位測量值為0.909mm時，表示實際的蒸發量為1mm。折算過程儀器設備里的程序會自動處理。對于需要同時進行人工對比觀測的站，人工測針讀數應該除以一個固定的折算系數才能與自動蒸發值作比較。

2 自動水面蒸發站數據處理

FFZ-01Z型數字式水面蒸發站是采用PC機與上位機及采集器進行相互連接的，采用RS485口和PC機相連接進行實時采集數據，上位機記錄顯示蒸發傳感器值、蒸發值、雨量值、雨量累加值和溢流量累，并且能夠顯示各種狀態。采用Access數據庫進行數據處理和實現報表打印。通過上位機還可以修改各設備通信地址，標定時間和標定日分界。

最先使用時需選好端口號和設備地址后，點擊建立一個新數據庫，將下位機的數據傳輸到此數據庫中，將數據傳輸到數據庫后，將數據庫中的數據全部顯示到軟件中，將顯示到軟件的數據，導入到excel中，便于備份和下載，根據報表數據報表的日期和時間，可以生成某年某月日蒸發報表和年蒸發報表，使用方便快捷。

3 應用實例及誤差分析

某某水文局自2014年5月份引進FFZ-01Z型數字式水面蒸發站在舵落口水文站進行使用，人工觀測與FFZ-01Z型數字式水面蒸發自動觀測從2014年5月同步進行。儀器從開始投入使用到現階段運行良好，數據完整，可以作為分析資料。由于5月份屬于試運行階段，故5月資料未作為分析資料使用。

表1 舵落口站FFZ-01Z 型數字式自動蒸發與人工觀測月蒸發值誤差比較表

由表1可看出，用2014年6月至10月自動蒸發觀測值與人工觀測值的對比誤差結果進行分析，月蒸發總量最大誤差2.9，月蒸發總量最小誤差-0.9，月最大誤差0.6，月最小誤差-0.3。從以上的比測成果的分析結果可以看出，FFZ-01Z型數字式水面蒸發自動觀測的蒸發量與人工觀測的蒸發量誤差較小，符合業內《水面蒸發觀測規范》的規定。

4 結語

位于湖北武漢的舵落口水文站自2014年6-10月份通過應用該FFZ-01Z型數字式水面蒸發自動觀測設備觀測，得出的蒸發值與人工觀測值比測，取得了一段時期的比測成果。根據比測結果分析，該設備完全可代替人工觀測設備。舵落口站FFZ-01Z型數字式水面蒸發自動觀測設備，可以有效提高工作效率，減輕勞動強度，而且操作簡單直觀、數據處理方便，在實際工作中具有較好的應用價值。同時實現自動蒸發設備的信息化，可以使水文監測事業與時代同步。同時該水文自動蒸發觀測設備的運用，加快了水文信息化建設的步伐，是實現水文現代化的基礎和重要標志。在實際應用中為水文預報、防汛抗旱提供及時、可靠數據。