自動蒸發設備在水文工作中的應用及誤差分析

白聲宇

摘要：結合四川省綿陽水文局災后重建項目中設備建設和使用經驗，簡要對項目中的自動蒸發觀測設備運行情況進行分析，著重介紹了設備運行中存在的各種影響設備正常工作的情況和誤差檢定，可為其他地區管理自動蒸發觀測設備提供參考和經驗借鑒，為保證蒸發設備正常工作提供實用、有效的管理方法。

關鍵詞：水文測驗；自動蒸發；影響因素；誤差檢定

1 前言

蒸發觀測是水文測驗工作中一項重要而嚴肅的測驗科目。幾十年來蒸發量一直沿用人工每日8：00準時觀測并記錄的方法，受大風、降雨的自然影響很大。近年來隨著科技的發展，水文測驗中的雨量、水位、流量等測驗逐步走向自動化監測，不但減輕了一線水文職工的工作量，測驗精度和時效性也大幅提升。自動蒸發觀測設備也是近年來逐步開始使用的一種新型自動化監測設備，在四川省綿陽水文水資源勘測局（以下簡稱綿陽水文局）災后重建項目中，部分測站安裝了這種設備并已經運行了數年。在使用過程中，由于蒸發觀測的復雜性和特殊性，導致設備運行初期不順利。

復雜性，蒸發量的觀測不僅僅是測量蒸發器中的水位高低，還涉及到加水量、溢流量、雨量，任何一條出現問題都會影響數據的準確。特殊性，每天都必須觀測蒸發量而且只在8：00觀測，少一天都是資料缺失，不能在其他時間觀測?？墒请娮赢a品不可能無故障長期運行，一旦發生故障就會導致資料缺失、數據異常等無法挽回的錯誤。

2 自動蒸發系統介紹

2.1 自動雨量器

自動蒸發設備配套的自動雨量器精度為0.1mm，和普通自動雨量站配備的0.5mm自動雨量器相比精度高出很多，分為翻斗式和稱重式兩種測量方式，該設備技術已經很成熟，安裝比較簡單。

2.2 自動補水單元

自動補水單元由儲水器和小型水泵組成，其工作原理為儲水器中平時儲滿水，當蒸發器中水位低于設定值時，由控制器觸發水泵工作，為蒸發器注水，控制器自動記錄補水后蒸發器內水位值，作為下一日蒸發水位起算值。

2.3 自動溢流單元

自動溢流單元結構比較復雜，由水泵、溢流量測量設備組成與蒸發器之間由水管連通。由于溢流動作主要發生在降雨過程中，溢流量的多少不能簡單通過測量蒸發器中水位變化值來確定，所以要為溢流抽出的水單獨設置測量單元以記錄溢流量。

2.4 蒸發器

由E601蒸發器、水圈、連接管組成，其上部由管道連接補水裝置，下部由管道連接測量單元和溢流單元

2.5 電源系統

由太陽能電池板、充電控制器、蓄電池組成，連接到數據采集器，為整套系統供電。

2.6 上位機

上位機是電腦通過上位機程序監控設備運行情況，任何一臺電腦安裝上位機程序，通過數據線均可對設備運行情況進行實時監控，是判斷設備運行是否正常最直接的工具。通過上位機程序，我們可以直觀的監控設備的內部時鐘，實時蒸發器水位、降雨量、溢流量、電壓等重要參數，為判斷設備運行情況提供重要參考，同時可隨時備份蒸發數據。

2.7 測量及控制單元

測量及控制單元是自動蒸發系統中最復雜的部分，功能為測量蒸發器中水位值、收集雨量數據，同時根據蒸發器中水位情況判斷是否需要補水、溢流。其內部由高精度浮子水位計、數據采集器（RTU）組成，下部為水位計儲水桶，采用連通器原理通過管道與蒸發器相連，可有效減少波浪對測量精度的影響。RTU負責水位、雨量、補水量、溢流量、電壓等重要數據的采集、計算和存儲，同時控制補水單元和溢流單元的工作，是整套系統的大腦，是一個小而完善的微型計算機系統。系統組成見圖1。

3 影響系統運行因素分析及處理

由于自動蒸發系統的復雜性，影響設備正常工作的因素很多，主要有：

⑴ 0.1mm自動雨量器故障

自動雨量器目前技術已經比較成熟，內部電子器件出廠前經過嚴格檢測，一般都可以達到正常記錄10萬次以上，所以設備本身故障的幾率非常低，但是不能忽略。運行過程中影響雨量器正常工作的情況主要為沙、土、雜物、鳥糞等異物進入儀器內部，造成雨量記錄不準確。

針對以上問題，我們主要從兩方面入手：一、所有測站原有的人工雨量器不能丟棄，作為備用設備保留，在自動雨量器故障時借用人工雨量數據計算。二、不定期檢查雨量設備，清理承雨器及內部的異物，保持儀器清潔。由于設備在出廠和安裝過程中均經過率定，通常情況下不需要對設備做率定檢測。

⑵ 自動補水單元故障

由于自動補水單元結構相對簡單，故障形式主要表現為水泵不工作和儲水器中無水可用。水泵不工作可能為水泵故障或控制單元未發出指令；儲水器中水量日常檢查中注意即可。

⑶ 自動溢流單元故障

自動溢流單元通常在降雨過程中啟動，所以故障會產生嚴重的后果：雨水從蒸發器中溢出導致蒸發嚴重偏大。對于自動溢流單元的運行情況，主要通過上位機在可能發生溢流動作的時候監控設備運行情況，如果發現溢流單元故障，需立即強制溢流，并做好記錄，待天氣轉好后檢查設備，排除故障。

⑷ 蒸發器的日常維護

蒸發器的日常維護與人工蒸發器相同，定期清洗，需注意的是自動蒸發器內部連接管道通過密封圈防漏，應盡量在清洗過程中避免碰撞。

⑸ 電源系統

電源系統可根據上位機實時監控各種工況信息，發現異?？杉皶r處理。

⑹ 測量及控制單元故障

經過數年的運行，綿陽水文局安裝的自動蒸發設備中測量及控制單元未出現設備損壞、電路燒毀等需要更換設備的嚴重故障，但是為了防止這樣的嚴重情況發生，我們制訂了如下操作流程：每日8：00定時通過上位機程序人工記錄前一日蒸發量；對比設備時鐘與標準北京時間差值，若差值超過5分鐘，通過上位機程序校時。endprint

4 自動蒸發設備誤差分析

選擇風力很小、無雨的陰天對自動蒸發設備進行誤差檢定。首先測定蒸發器內原始水位，然后人為減少蒸發器中水量，人工測量減水后水位三次取平均值計算蒸發量，同時通過上位機程序記錄自動蒸發設備測定值，反復操作多次，然后作對比分析。為了得到比較有代表性的數據，結合本地水文站歷史蒸發情況，我前后共進行了80次操作，具體數據見表一，其中人工觀測值為X；自動蒸發器記錄值為Y；偏差值（%）為Z。

通過測量數據分別計算系統誤差A；偏差在±3%內的測次所占比重 P3； 偏差在±5%內的測次所占比重 P5。A=∑Zi/N，其中zi為偏差值，N為總測次，代入數據得出A=-0.51%；P3=N3/N*100%，其中N為總測次，N3為偏差在±3%內的測次總數，代入數據得P3=90%；

P5=N5/N*100%，其中N為總測次，N5為偏差在±5%內的測次總數，代入數據得P5=97.5%。

成果判斷條件 ①A=-0.51%，在±1%內，滿足條件；

②P3=90%>75%，滿足條件；

③P5=97.5%>95%，滿足條件。

通過測試，自動蒸發器誤差在允許范圍內，可正常使用。

5 結語

對于自動蒸發設備的使用，我們仍處于起步階段，部分站點使用情況不太理想。分析其原因，并非設備精度不達標，而是自動蒸發設備的使用和維護較人工蒸發設備復雜，無法減輕測站工作量。但是我們能看到自動蒸發設備也有它的優勢：受自然因素影響很小、受人為因素影響很小，精度更高。只要能盡心維護，注意觀察、備份，一定能收到良好的效果。

參考文獻：

[1]水利電力部水利司.水文測驗手冊，1983 Water Resources Department of Ministry of Water Resources and Electric Power.Test Manual of Hydrologic，1983（in Chinese））

[2]中華人民共和國水利部.水文年鑒匯編刊印規范 2009.（Ministry of Water Resources of the People's Republic of China .Print standard compilation of hydrological Yearbook，2009（in Chinese））

Application and error analysis of automatic evaporation equipment in hydrological work

Bai Shengyu

（Mianyang hydrology and Water Resources Survey Bureau，Mianyang 621000，China）

Abstract： Combined with the experience of the construction and use of equipment in the Mianyang Hydrological Bureau of Sichuan Province，analysis of the operating conditions of automatic evaporation observation equipment in the project，this paper mainly introduces the normal operation of the equipment and the error detection，can provide reference and experience for other areas to manage automatic evaporation observation equipment，to provide practical and effective management method for ensuring the normal operation of evaporation equipment.

Key words：Hydrological test；Automatic evaporation；Influence factors；Error verificationendprint